JP7459762B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気浄化装置に関する。

従来の排気浄化装置として、例えば特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１に記載の技術では、触媒温度の推定値と目標となる触媒活性化温度との比較結果に基づいて、エンジンの燃焼状態に関与する制御パラメータを変化させる。

特開２０１１－２７０１８号公報

ところで、要求出力に応じた燃料量に対して空気量を変化可能な内燃機関にあっては、所定燃料量に対して空気量を大きくして排気エネルギを大きくすると排気温度が低くなるという関係があり得る。そのため、効率的に触媒を暖機するためには、このような関係を考慮して内燃機関の空気量を制御することが望ましい。

本発明は、要求出力に応じた燃料量に対して空気量を変化可能な内燃機関において効率的に排気浄化触媒を暖機することが可能となる排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る排気浄化装置は、要求出力に応じた燃料量に対して空気量を変化可能な内燃機関の排気浄化装置であって、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒の触媒温度を取得する温度取得部と、所定燃料量に対して空気量を変化させたときの内燃機関における排気温度と排気エネルギとの関係に基づいて、暖機される排気浄化触媒を流れる排気ガスの目標排気温度を当該排気浄化触媒の触媒温度よりも高い温度に設定する目標排気温度設定部と、暖機される排気浄化触媒における排気温度が目標排気温度となるように内燃機関の空気量を制御する制御部と、を備える。

本発明の一態様に係る排気浄化装置では、暖機される排気浄化触媒を流れる排気ガスの目標排気温度が、当該排気浄化触媒の触媒温度よりも高い温度に設定される。暖機される排気浄化触媒における排気温度が目標排気温度となるように、内燃機関の空気量が制御される。ここで、目標排気温度は、所定燃料量に対して空気量を変化させたときの内燃機関における排気温度と排気エネルギとの関係に基づいて算出されるため、例えば排気エネルギを大きくしたために排気温度が過剰に低くなるような事態を回避しつつ排気浄化触媒を暖機することができる。したがって、本発明の一態様に係る排気浄化装置によれば、要求出力に応じた燃料量に対して空気量を変化可能な内燃機関において効率的に排気浄化触媒を暖機することが可能となる。

一実施形態において、目標排気温度設定部は、暖機される排気浄化触媒における触媒温度と排気温度と排気流量とに基づいて、当該排気浄化触媒を流れる排気ガスから当該排気浄化触媒への熱交換量を推定し、熱交換量に基づいて目標排気温度を設定してもよい。この場合、排気ガスから排気浄化触媒への熱交換量を排気浄化触媒の暖機の指標として用いて目標排気温度を設定することができる。

一実施形態において、目標排気温度設定部は、上記関係のもとで複数の仮定排気温度に対する複数の熱交換量を推定し、熱交換量が最大となる仮定排気温度を目標排気温度として設定してもよい。この場合、複数の仮定排気温度における熱交換量のうち最も効率的に排気浄化触媒を暖機できる目標排気温度を設定することができる。

一実施形態において、排気通路には複数の排気浄化触媒が設けられており、温度取得部は、複数の排気浄化触媒のそれぞれの触媒温度を取得し、排気浄化装置は、それぞれの触媒温度と所定の目標触媒温度との比較結果に基づいて、優先的に暖機される排気浄化触媒である暖機対象触媒を特定する暖機対象触媒特定部を更に備え、制御部は、暖機対象触媒における排気温度が目標排気温度となるように内燃機関の空気量を制御してもよい。この場合、複数の排気浄化触媒のうち暖機対象触媒として特定した排気浄化触媒を優先的に暖機することができる。

本発明によれば、要求出力に応じた燃料量に対して空気量を変化可能な内燃機関において効率的に排気浄化触媒を暖機することが可能となる。

実施形態の排気浄化装置を備えたエンジンシステムの概略構成図である。 図１の排気浄化装置のＥＣＵに関する構成を示すブロック図である。 排気温度と排気エネルギとの関係の一例を示す図である。 熱交換量及び暖機対象触媒の特定を説明するための図である。 複数の仮定排気温度の一例を示す図である。 図１の排気浄化装置の動作例を示すタイミングチャートである。 図１のＥＣＵの処理を例示するフローチャートである。 図１の排気浄化装置の他の動作例を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一又は同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、実施形態の排気浄化装置を備えたエンジンシステムの概略構成図である。図１に示されるように、排気浄化装置１００は、エンジン（内燃機関）１に適用される。エンジン１は、一例としてコモンレール式の４気筒直列ディーゼルエンジンである。エンジン１は、シリンダブロック及びシリンダヘッド等で構成されたエンジン本体２を備えている。エンジン本体２には、４つのシリンダ３が設けられている。各シリンダ３には、燃焼室４内に燃料を噴射するインジェクタ５が配設されている。各インジェクタ５は、コモンレール６に接続されている。インジェクタ５には、コモンレール６に貯留された高圧燃料が供給される。

エンジン本体２には、燃焼室４内に空気を吸入するための吸気通路７がインテークマニホールド８を介して接続されている。吸気通路７には、吸入空気の流れ方向上流側から順にエアクリーナ９、ターボチャージャ２１のコンプレッサ２３、インタークーラ１０、及びスロットルバルブ１１が設けられている。スロットルバルブ１１は、例えば電子制御バタフライバルブである。

エンジン本体２には、燃焼室４で燃焼後の排気ガスを排出するための排気通路１２がエキゾーストマニホールド（排気通路）１３を介して接続されている。排気通路１２には、排気浄化触媒として、例えば、排気ガスの流れ方向の上流側から順に、ＤＯＣ［Diesel Oxidation Catalyst］１４ａと、ＤＰＦ［Diesel Particulate Filter］１４ｂと、ＳＣＲ［Selective Catalytic Reduction］１４ｃと、が設けられている。すなわち、排気通路１２には複数の排気浄化触媒が設けられている。なお、以下の説明では、「排気浄化触媒」を単に「触媒」と記すことがある。

エンジン１は、燃焼後の排気ガスの一部を排気再循環（ＥＧＲ）ガスとして燃焼室４内に還流するＥＧＲユニット１５を備えている。ＥＧＲユニット１５は、吸気通路７とエキゾーストマニホールド１３とを繋ぐように設けられている。ここでのＥＧＲユニット１５は、エンジン本体２とＤＯＣ１４ａとの間のエキゾーストマニホールド１３を流れる排気ガスを還流させる。ＥＧＲユニット１５は、ＥＧＲガスを流通させるＥＧＲ通路１６と、ＥＧＲガスの還流量を調整するＥＧＲバルブ１７と、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１８と、ＥＧＲクーラ１８をバイパスするバイパス通路１９と、ＥＧＲガスの流路をＥＧＲクーラ１８側又はバイパス通路１９側に切り替える切替弁２０とを有している。

エンジン１は、エンジン本体２とＤＯＣ１４ａとの間に設けられたターボチャージャ２１を備えている。ターボチャージャ２１は、排気通路１２側に配設されたタービン２２と、吸気通路７側に配設されたコンプレッサ２３とを有している。

ターボチャージャ２１は、可変容量式ターボチャージャとして構成されている。ターボチャージャ２１は、タービン２２側に可変ノズル２２ａを有している。可変ノズル２２ａは、周知の構成を有しており、タービンハウジングのスクロール通路から排出通路に流れる排気ガスの向き及び流速を調整可能に構成されている（図示省略）。

タービン２２では、例えば、ある可変ノズル２２ａの開度に対して可変ノズル２２ａの開度が閉じ側に変化すると、タービン２２の回転数が増加するように排気ガスの向き及び流速が調整される。また、ある可変ノズル２２ａの開度に対して可変ノズル２２ａの開度が開き側に変化すると、タービン２２の回転数が減少するように排気ガスの向き及び流速が調整される。可変ノズル２２ａの開度は、後述のＥＣＵ［Electronic Control Unit］３０によって制御される（詳しくは後述）。

排気浄化装置１００は、可変ノズル２２ａの開度の調整によりエンジン１の吸入空気量（空気量）を制御するＥＣＵ３０を備えている。図２は、図１の排気浄化装置のＥＣＵに関する構成を示すブロック図である。図２に示されるように、排気浄化装置１００は、エンジン回転数センサ２４と、アクセルセンサ２５と、エアフロセンサ２６と、排気温度センサ２７と、ＥＣＵ３０と、を備えている。ＥＣＵ３０には、上記各センサ２４～２７、ＥＧＲバルブ１７、可変ノズル２２ａ、スロットルバルブ１１、及びインジェクタ５が接続されている。

エンジン回転数センサ２４は、例えばエンジン１のクランクシャフトの回転数をエンジン１の回転数（以下、エンジン回転数という）として検出する検出器である。エンジン回転数センサ２４は、検出したエンジン回転数の検出信号をＥＣＵ３０に送信する。

アクセルセンサ２５は、例えば車両のアクセルペダルに併設されている。アクセルセンサ２５は、アクセルペダルのアクセル開度を検出する。アクセルセンサ２５は、検出したアクセル開度の検出信号をＥＣＵ３０に送信する。

エアフロセンサ２６は、エンジン１の吸入空気量を検出する検出器である。エアフロセンサ２６は、例えば吸気通路７におけるエアクリーナ９とコンプレッサ２３との間に設けられている。エアフロセンサ２６は、検出した吸入空気量の検出信号をＥＣＵ３０に送信する。

排気温度センサ２７は、排気通路１２におけるＤＯＣ１４ａの上流側の排気ガスの温度である排気温度Ｔｅｘ１を取得する検出器である。排気温度センサ２７は、取得した排気温度Ｔｅｘ１の検出信号をＥＣＵ３０に送信する。

ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ［Central Processing Unit］、ＲＯＭ［Read Only Memory］、ＲＡＭ［Random Access Memory］、ＣＡＮ［Controller Area Network］通信回路等を有する電子制御ユニットである。ＥＣＵ３０では、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＲＡＭにロードされたプログラムをＣＰＵで実行することにより各種の機能を実現する。ＥＣＵ３０は、複数の電子制御ユニットから構成されていてもよい。

ＥＣＵ３０は、可変ノズル２２ａに制御信号を送信することで、タービンハウジングのスクロール通路から排出通路に流れる排気ガスの向き及び流速を調整するように可変ノズル２２ａの開度を制御する。なお、ＥＣＵ３０は、ＥＧＲバルブ１７に制御信号を送信することで、ＥＧＲガスの還流量を調整するようにＥＧＲバルブ１７の開度を制御してもよい。ＥＣＵ３０は、スロットルバルブ１１に制御信号を送信することで、エンジン１の吸入空気量を調整するようにスロットルバルブ１１の開度を制御してもよい。ＥＣＵ３０は、インジェクタ５に制御信号を送信することで、燃焼室４への燃料噴射量及び燃料噴射時期を調整するようにインジェクタ５を制御してもよい。

ＥＣＵ３０は、機能的構成として、エンジン状態取得部（温度取得部）３１と、暖機対象触媒特定部３２と、目標排気温度設定部３３と、エンジン制御部（制御部）３４と、を有している。

エンジン状態取得部３１は、上記各センサ２４～２７の検出結果に基づいて、エンジン状態を取得する。エンジン状態取得部３１は、エンジン状態として、例えば、エンジン回転数センサ２４で検出されたエンジン回転数、アクセルセンサ２５で検出されたアクセル開度、エアフロセンサ２６で検出された吸入空気量、及び、排気温度センサ２７で検出された排気温度を取得する。

エンジン状態取得部３１は、エンジン回転数及びアクセル開度に応じて、公知の手法によりエンジン１の燃料噴射量、燃料噴射時期、及び目標空燃比を算出してもよい。エンジン状態取得部３１は、例えば、エアフロセンサ２６の検出信号に基づいて、排気ガス流量（排気流量）としてエンジン１の吸入空気量を取得する。

エンジン状態取得部３１は、アクセル開度に基づいて、エンジン１がアイドリング状態であるか否かを判定してもよい。本実施形態では、例えばエンジン１の始動直後のアイドリングなどで触媒を暖機する場面に着目している。そのため、エンジン１がアイドリング状態である場合、エンジン１の要求出力としては、エンジン回転数が所定の目標回転数となるようにフィードバック制御によって算出されたトルク値であってもよい。このエンジン１では、要求出力を実現するように燃料噴射量（燃料量）が算出される。

エンジン状態取得部３１は、エンジン回転数及びアクセル開度に応じて、可変ノズル２２ａのノズル開度の基本値を算出する。可変ノズル２２ａのノズル開度の基本値は、例えば、エンジン回転数及び燃料噴射量を軸とするマップで規定されていてもよい。

エンジン状態取得部３１は、エンジン１の排気通路１２に設けられた複数の触媒のそれぞれの触媒温度を取得する。エンジン状態取得部３１は、例えば、エアフロセンサ２６及び排気温度センサ２７の検出結果に基づいて、予め設定された温度推定モデルを用いて、ＤＯＣ１４ａの触媒温度Ｔｃａｔ１、ＤＰＦ１４ｂの触媒温度Ｔｃａｔ２、及びＳＣＲ１４ｃの触媒温度Ｔｃａｔ３を推定することができる。

暖機対象触媒特定部３２は、それぞれの触媒温度と所定の目標触媒温度との比較結果に基づいて、優先的に暖機される触媒である暖機対象触媒を特定する。目標触媒温度は、各触媒が活性化するための触媒の温度である。目標触媒温度は、予めＥＣＵ３０に記憶されていてもよい。なお、目標触媒温度は、各触媒が活性化するための触媒の温度より所定温度だけ高い温度であってもよいし、所定温度だけ低い温度であってもよい。

暖機対象触媒特定部３２は、例えば、ＤＯＣ１４ａ、ＤＰＦ１４ｂ、及びＳＣＲ１４ｃのうち、目標触媒温度に対する触媒温度の未達分が最も大きい触媒を暖機対象触媒として特定する。目標触媒温度に対する触媒温度の未達分とは、目標触媒温度よりも触媒温度が小さい場合の目標触媒温度と触媒温度との差分を意味する。

目標排気温度設定部３３は、所定燃料量に対して空気量を変化させたときのエンジン１における排気温度と排気エネルギとの関係に基づいて、暖機される触媒を流れる排気ガスの目標排気温度を当該排気浄化触媒の触媒温度よりも高い温度に設定する。

図３は、排気温度と排気エネルギとの関係の一例を示す図である。ここでのエンジン１では、上述のように要求出力を実現するように算出された燃料噴射量に対して吸入空気量を増減することにより、空気過剰率を変更可能である。つまり、エンジン１は、要求出力に応じた燃料量に対して空気量を変化可能である。例えば、多量の吸入空気量によって燃焼ガスが多く（排気エネルギが大きく）なると、燃焼ガス温度（排気温度）が低下する傾向にある。また、少量の吸入空気量によって燃焼ガスが少なく（排気エネルギが小さく）なると、排気温度が高くなる傾向にある。図３に示されるように、所定燃料量に対して空気量を変化させたときのエンジン１における排気温度と排気エネルギとの間には、吸入空気量が大きくなるほど排気温度が低くなると共に排気エネルギが大きくなり、且つ、吸入空気量が小さくなるほど排気温度が高くなると共に排気エネルギが小さくなる関係が存在する。

目標排気温度設定部３３は、暖機される触媒における触媒温度と排気温度と排気流量とに基づいて、当該触媒を流れる排気ガスから当該触媒への熱交換量を推定する。触媒の暖機は、触媒を通過する排気ガスとの熱交換によって行われる。ここで、触媒内の排気ガスについて公知の流れモデル（例えば円管内乱流モデル）を想定した場合、排気ガスから触媒への熱交換量Ｑは、以下の（１）式で与えられる。

ここで、Ｃは触媒内の受熱面積に関する定数、Ｖは排気ガス流量、Ｐｒはプラントル数、Ｔｃａｔは触媒温度、Ｔｅｘは排気温度である。なお、排気ガス流量Ｖは、エアフロセンサ２６で検出した吸入空気量と排気温度とで算出することができる。

図４は、熱交換量及び暖機対象触媒の特定を説明するための図である。図４において、Ｅｅｘは、最上流に位置する触媒１（ＤＯＣ１４ａ）とエンジン１との間の排気エネルギである。Ｔｃａｔ１は、触媒１の触媒温度である。Ｔｃａｔ２は、触媒２の触媒温度である。Ｔｃａｔ３は、触媒３の触媒温度である。Ｔｅｘ１は、最上流に位置する触媒１とエンジン１との間の排気温度である。Ｔｅｘ２は、触媒１の下流に位置する触媒２（ＤＰＦ１４ｂ）と触媒１との間の排気温度である。Ｔｅｘ３は、触媒２の下流に位置する触媒３（ＳＣＲ１４ｃ）と触媒２との間の排気温度である。Ｑ１は、触媒１における触媒と排気ガスとの熱交換量である。Ｑ２は、触媒２における触媒と排気ガスとの熱交換量である。Ｑ３は、触媒１における触媒と排気ガスとの熱交換量である。

図４に示されるように、本実施形態の排気浄化装置１００では、それぞれの触媒を通過する排気ガスとの熱交換を順次計算することで、複数の触媒において暖機される触媒だけでなく熱を奪われる触媒があるとしても、一連の熱の授受の計算を通して、暖機される触媒（上述の暖機対象触媒特定部３２で特定された触媒）の目標排気温度を与える形でエンジン１をどのように運転すべきかを決定することができる。

目標排気温度設定部３３は、排気通路１２に設けられている複数の触媒のそれぞれについて、熱交換量Ｑを算出する。一例として、目標排気温度設定部３３は、上記図３の関係のもとで複数の仮定排気温度に対する複数の熱交換量Ｑを推定し、熱交換量Ｑが最大となる仮定排気温度を目標排気温度として設定する。仮定排気温度は、目標排気温度を求めるための演算で用いる仮想的に定めた複数の排気温度を意味する。仮定排気温度は、触媒の暖機のためのエンジン１の運転で使用可能な吸入空気量の範囲を表す運転可能範囲に含まれる排気温度から例えばｎ個選択される態様であってもよい。なお、ｎは、２以上の自然数であってもよい。

図５は、複数の仮定排気温度の一例を示す図である。図５には、図３の関係において、空気上限と空気下限とが示されている。空気上限と空気下限とで挟まれる範囲が、運転可能範囲に相当する。目標排気温度設定部３３は、例えば、エンジン１の最大過給状態及び空燃比限界の吸入空気量の制約と下限触媒温度とに対応する吸入空気量の制約に基づいて、触媒の暖機のためのエンジン１の運転で使用可能な吸入空気量の範囲を運転可能範囲として算出する。

エンジン１の最大過給状態は、予め設定された最大過給圧でターボチャージャ２１が過給している状態を意味し、運転可能範囲における吸入空気量の上限を規定する。空燃比限界は、空気過剰率が小さいことで燃焼室４での燃焼が不安定となる境界を意味し、運転可能範囲における吸入空気量の下限を規定する。下限触媒温度は、例えば、複数の触媒の全てを暖機する場合に、いずれの触媒よりも排気温度を高くするために設けられる触媒温度の下限値であり、運転可能範囲における吸入空気量の上限を規定する。

更に、図５の例では、目標排気温度設定部３３は、ｎ個の仮定空気量を運転ポイントとして算出する。運転ポイントは、算出した運転可能範囲に属する吸入空気量のうちから選択したｎ個の吸入空気量の値に対応する図５の曲線上の座標点である。ｎ個の運転ポイントは、任意に設定でき、例えば運転可能範囲の上限から下限までを吸入空気量の値について等間隔に分割する座標点としてもよいし、予め設定された座標点のうち運転可能範囲に含まれるものとしてもよい。

目標排気温度設定部３３は、運転ポイントのｎ個の仮定空気量の値と、排気温度と排気エネルギとの関係とに基づいて、仮定排気温度及び仮定排気エネルギを運転ポイントごとに推定する。

仮定排気温度は、目標排気温度を求めるための演算で用いるために仮定空気量に応じて算出された仮想的な排気温度を意味する。仮定排気温度は、例えば図５の例では、排気温度と排気エネルギとの関係を表す曲線上における仮定空気量の値に対応する座標の横軸の成分として求めることができる。

仮定排気エネルギは、目標排気温度を求めるための演算で用いるために仮定空気量に応じて算出された仮想的な排気エネルギを意味する。仮定排気エネルギは、例えば図５の例では、排気温度と排気エネルギとの関係を表す曲線上における仮定空気量の値に対応する座標の縦軸の成分として求めることができる。

目標排気温度設定部３３は、熱交換量Ｑに基づいて目標排気温度を設定する。より詳しくは、目標排気温度設定部３３は、それぞれの触媒を通過する排気ガスとの熱交換量Ｑを順次計算する。目標排気温度設定部３３は、例えば、ＤＯＣ１４ａについて、排気温度、触媒温度、及び、熱交換量Ｑを運転ポイントごとに推定し、続いてＤＰＦ１４ｂについて、排気温度、触媒温度、及び、熱交換量Ｑを運転ポイントごとに推定し、続いてＳＣＲ１４ｃについて、排気温度、触媒温度、及び、熱交換量Ｑを運転ポイントごとに推定する。目標排気温度設定部３３は、特定した暖機対象触媒に着目し、暖機対象触媒において複数の運転ポイントに対応する複数の熱交換量Ｑのうち、熱交換量Ｑが最大となる運転ポイントの仮定排気温度を目標排気温度に設定する。

エンジン制御部３４は、暖機対象触媒（暖機される触媒）における排気温度が目標排気温度となるようにエンジン１の吸入空気量を制御する。エンジン制御部３４は、暖機対象触媒における排気温度が目標排気温度よりも低い場合、暖機対象触媒における排気温度が目標排気温度よりも高い場合と比べて可変ノズル２２ａのノズル開度を開くようにターボチャージャ２１を制御する。エンジン制御部３４は、暖機対象触媒における排気温度が目標排気温度よりも高い場合、暖機対象触媒における排気温度が目標排気温度よりも低い場合と比べて可変ノズル２２ａのノズル開度を閉じるようにターボチャージャ２１を制御する。エンジン制御部３４は、例えば、排気温度と目標排気温度との差分に応じて可変ノズル２２ａのノズル開度を調整してもよい。エンジン制御部３４は、例えば、所定のマップで規定された補正値を用いて可変ノズル２２ａのノズル開度を調整してもよい。このマップは、エンジン１の実機を用いた試験等により予め設定されていてもよい。

図６は、図１の排気浄化装置の動作例を示すタイミングチャートである。図６（ａ）では、横軸に時間が示され、縦軸に触媒温度が示されている。図６（ｂ）では、横軸に排気温度が示され、縦軸に排気エネルギが示されている。図６では、例えば、エンジン１の始動直後のアイドリングにおいて、効率的な触媒の暖機が図られた例が示されている。

図６（ａ）には、破線Ｌ１、一点鎖線Ｌ２、及び実線Ｌ３が示されている。破線Ｌ１は、例えば運転ポイントＰ１のように、相対的に排気エネルギが大きい状態で触媒の暖機を行った場合の触媒温度の推移を示す。一点鎖線Ｌ２は、例えば運転ポイントＰｎのように、相対的に排気温度が高い状態で触媒の暖機を行った場合の触媒温度の推移を示す。実線Ｌ３は、例えば図６（ｂ）のように運転ポイントをＰ１からＰｎに移動させるようにエンジン１の吸入空気量を減少させることで、相対的に排気エネルギが大きい状態から相対的に排気温度が高い状態へと変化させながら触媒の暖機を行った場合の触媒温度の推移を示す。

破線Ｌ１では、運転ポイントＰｎよりも排気エネルギが大きいが排気温度は低いため、破線Ｌ１は、一点鎖線Ｌ２よりも初期の温度上昇勾配が大きいものの、一点鎖線Ｌ２よりも低い温度に収束していく。一点鎖線Ｌ２では、運転ポイントＰ１よりも排気エネルギが小さいが排気温度は高いため、一点鎖線Ｌ２は、破線Ｌ１よりも初期の温度上昇勾配がゆるやかであるものの、破線Ｌ１よりも高い温度に収束していく。

ここで、排気浄化装置１００によれば、例えば図６（ｂ）のように、当初は暖機対象触媒において熱交換量Ｑを最大とするには排気エネルギが大きい運転ポイントＰ１が対応し、エンジンの始動後に触媒の暖機が進むにつれて熱交換量Ｑを最大とするには排気温度が高い運転ポイントＰｎが対応するように、効率的に触媒を暖機するための運転ポイントが変化する。そのため、図６（ａ）のように、実線Ｌ３では、相対的に排気エネルギが大きい状態から相対的に排気温度が高い状態へと変化させられ、一点鎖線Ｌ２よりも初期の温度上昇勾配が大きく、その後、破線Ｌ１よりも高い温度への収束が実現されることとなる。

［ＥＣＵによる処理］
次に、ＥＣＵ３０による処理の一例について、図７を参照して説明する。図７は、図１のＥＣＵの処理を例示するフローチャートである。ＥＣＵ３０は、例えば始動直後などのエンジン１の運転中において、図７に示される処理を、例えば一定周期ごとに繰り返し実行する。

図７に示されるように、ＥＣＵ３０は、Ｓ０１において、暖機対象触媒特定部３２により、触媒温度と目標触媒温度との比較を行う。暖機対象触媒特定部３２は、例えば、ＤＯＣ１４ａ、ＤＰＦ１４ｂ、及びＳＣＲ１４ｃのそれぞれについて、触媒温度と予め設定された目標触媒温度とを比較する。暖機対象触媒特定部３２は、触媒温度として、エンジン状態取得部３１によって推定された触媒温度を用いる。エンジン状態取得部３１は、例えば、エアフロセンサ２６及び排気温度センサ２７の検出結果に基づいて、ＤＯＣ１４ａ、ＤＰＦ１４ｂ、及びＳＣＲ１４ｃの触媒温度（ここではＴｃａｔ１，Ｔｃａｔ２，Ｔｃａｔ３）を公知の方法により推定する。

ＥＣＵ３０は、Ｓ０２において、暖機対象触媒特定部３２により、触媒の暖機が必要であるか否かを判定する。ＥＣＵ３０は、暖機対象触媒特定部３２により、例えば、ＤＯＣ１４ａ、ＤＰＦ１４ｂ、及びＳＣＲ１４ｃのうちの少なくとも何れか１つの触媒の触媒温度が目標触媒温度未満である場合（Ｓ０２：ＹＥＳ）、触媒の暖機が必要であると判定し、Ｓ０３に移行する。ＥＣＵ３０は、暖機対象触媒特定部３２により、例えば、ＤＯＣ１４ａ、ＤＰＦ１４ｂ、及びＳＣＲ１４ｃの全ての触媒温度が目標触媒温度以上である場合（Ｓ０２：ＮＯ）、触媒の暖機が不要であると判定し、図７の処理を終了する。

ＥＣＵ３０は、Ｓ０３において、暖機対象触媒特定部３２により、暖機対象触媒の特定を行う。暖機対象触媒特定部３２は、例えば、ＤＯＣ１４ａ、ＤＰＦ１４ｂ、及びＳＣＲ１４ｃのうち、目標触媒温度に対する触媒温度の未達分が最も大きい触媒を暖機対象触媒として特定する。

ＥＣＵ３０は、Ｓ０４において、目標排気温度設定部３３により、運転可能範囲及び運転ポイントの算出を行う。目標排気温度設定部３３は、例えば、最大過給状態及び空燃比限界の吸入空気量の制約と下限触媒温度とに対応する吸入空気量の制約に基づいて、触媒の暖機のためのエンジン１の運転で使用可能な吸入空気量の範囲を運転可能範囲として算出する。図５の例では、目標排気温度設定部３３は、算出した運転可能範囲に属する吸入空気量のうちから選択したｎ個の仮定空気量の値に対応する図５の曲線上の座標点を運転ポイントとして算出する。

ＥＣＵ３０は、Ｓ０５において、目標排気温度設定部３３により、排気温度及び排気エネルギの推定を運転ポイントごとに行う。図５の例では、目標排気温度設定部３３は、運転ポイントのｎ個の仮定空気量の値と、排気温度と排気エネルギとの関係とに基づいて、仮定排気温度Ｔｅｘ１（１）～Ｔｅｘ１（ｎ）及び仮定排気エネルギＥｅｘ１（１）～Ｅｅｘ１（ｎ）を運転ポイントごとに推定する。

なお、仮定排気温度Ｔｅｘ１（１）～Ｔｅｘ１（ｎ）は、最上流に位置するＤＯＣ１４ａとエンジン１との間の排気温度の仮定値であって、運転ポイントの１～ｎ番目の仮定空気量にそれぞれ対応する排気温度の仮定値である。仮定排気エネルギＥｅｘ１（１）～Ｅｅｘ１（ｎ）は、最上流に位置するＤＯＣ１４ａとエンジン１との間の排気エネルギの仮定値であって、運転ポイントの１～ｎ番目の仮定空気量にそれぞれ対応する排気エネルギの仮定値である。

ＥＣＵ３０は、Ｓ０６において、目標排気温度設定部３３により、排気温度、触媒温度、及び、熱交換量を運転ポイントごとに推定する。目標排気温度設定部３３は、例えば、ＤＯＣ１４ａ、ＤＰＦ１４ｂ、及びＳＣＲ１４ｃのそれぞれについて、排気温度、触媒温度、及び、熱交換量を運転ポイントごとに順次推定する。

具体的には、ＤＯＣ１４ａについて、目標排気温度設定部３３は、Ｓ０１で推定したＤＯＣ１４ａの触媒温度Ｔｃａｔ１と、１～ｎ番目の仮定空気量と、Ｓ０５で推定した仮定排気温度Ｔｅｘ１（１）～Ｔｅｘ１（ｎ）とに基づいて、上述の式（１）を用いてＤＯＣ１４ａにおける熱交換量Ｑ１（１）～Ｑ１（ｎ）を推定する。目標排気温度設定部３３は、推定した熱交換量Ｑ１（１）～Ｑ１（ｎ）を仮定排気エネルギＥｅｘ１（１）～Ｅｅｘ１（ｎ）からそれぞれ減算することによって、ＤＯＣ１４ａとＤＰＦ１４ｂとの間の仮定排気エネルギＥｅｘ２（１）～Ｅｅｘ２（ｎ）を算出する。すなわち、Ｅｅｘ２（１）はＥｅｘ１（１）－Ｑ１（１）で求められ、Ｅｅｘ２（ｎ）はＥｅｘ１（ｎ）－Ｑ１（ｎ）で求められる。目標排気温度設定部３３は、推定した熱交換量Ｑ１（１）～Ｑ１（ｎ）と仮定排気温度Ｔｅｘ１（１）～Ｔｅｘ１（ｎ）とに基づいて、ＤＯＣ１４ａとＤＰＦ１４ｂとの間の仮定排気温度Ｔｅｘ２（１）～Ｔｅｘ２（ｎ）を算出する。

また、ＤＰＦ１４ｂについて、目標排気温度設定部３３は、Ｓ０１で推定したＤＰＦ１４ｂの触媒温度Ｔｃａｔ２と、１～ｎ番目の仮定空気量と、上記推定した仮定排気温度Ｔｅｘ２（１）～Ｔｅｘ２（ｎ）とに基づいて、上述の式（１）を用いてＤＰＦ１４ｂにおける熱交換量Ｑ２（１）～Ｑ２（ｎ）を推定する。目標排気温度設定部３３は、推定した熱交換量Ｑ２（１）～Ｑ２（ｎ）を仮定排気エネルギＥｅｘ２（１）～Ｅｅｘ２（ｎ）からそれぞれ減算することによって、ＤＰＦ１４ｂとＳＣＲ１４ｃとの間の仮定排気エネルギＥｅｘ３（１）～Ｅｅｘ３（ｎ）を算出する。すなわち、Ｅｅｘ３（１）はＥｅｘ１（１）－Ｑ１（１）－Ｑ２（１）で求められ、Ｅｅｘ３（ｎ）はＥｅｘ１（ｎ）－Ｑ１（ｎ）－Ｑ２（ｎ）で求められる。目標排気温度設定部３３は、推定した熱交換量Ｑ２（１）～Ｑ２（ｎ）と仮定排気温度Ｔｅｘ２（１）～Ｔｅｘ２（ｎ）とに基づいて、ＤＰＦ１４ｂとＳＣＲ１４ｃとの間の仮定排気温度Ｔｅｘ３（１）～Ｔｅｘ３（ｎ）を算出する。

また、ＳＣＲ１４ｃについて、目標排気温度設定部３３は、Ｓ０１で推定したＳＣＲ１４ｃの触媒温度Ｔｃａｔ３と、１～ｎ番目の仮定空気量と、上記推定した仮定排気温度Ｔｅｘ３（１）～Ｔｅｘ３（ｎ）とに基づいて、上述の式（１）を用いてＳＣＲ１４ｃにおける熱交換量Ｑ３（１）～Ｑ３（ｎ）を推定する。目標排気温度設定部３３は、推定した熱交換量Ｑ３（１）～Ｑ３（ｎ）を仮定排気エネルギＥｅｘ３（１）～Ｅｅｘ３（ｎ）からそれぞれ減算することによって、ＳＣＲ１４ｃの下流の仮定排気エネルギＥｅｘ４（１）～Ｅｅｘ４（ｎ）を算出してもよい。すなわち、Ｅｅｘ４（１）はＥｅｘ１（１）－Ｑ１（１）－Ｑ２（１）－Ｑ３（１）で求められ、Ｅｅｘ４（ｎ）はＥｅｘ１（ｎ）－Ｑ１（ｎ）－Ｑ２（ｎ）－Ｑ３（ｎ）で求められてもよい。目標排気温度設定部３３は、推定した熱交換量Ｑ３（１）～Ｑ３（ｎ）と仮定排気温度Ｔｅｘ３（１）～Ｔｅｘ３（ｎ）とに基づいて、ＳＣＲ１４ｃの下流の仮定排気温度Ｔｅｘ４（１）～Ｔｅｘ４（ｎ）を算出してもよい。

ＥＣＵ３０は、Ｓ０７において、目標排気温度設定部３３により、熱交換量Ｑが最大となる運転ポイントの排気温度を目標排気温度に設定する。目標排気温度設定部３３は、例えば、Ｓ０３で特定した暖機対象触媒において熱交換量Ｑが最大となる運転ポイントの仮定排気温度を目標排気温度に設定する。

具体的には、目標排気温度設定部３３は、例えば、Ｓ０３で暖機対象触媒としてＤＯＣ１４ａを特定した場合、推定した熱交換量Ｑ１（１）～Ｑ１（ｎ）のうち最大の熱交換量Ｑ１（ｍ）を特定し、仮定排気温度Ｔｅｘ１（ｍ）を目標排気温度に設定する。目標排気温度設定部３３は、例えば、Ｓ０３で暖機対象触媒としてＤＰＦ１４ｂを特定した場合、推定した熱交換量Ｑ２（１）～Ｑ２（ｎ）のうち最大の熱交換量Ｑ２（ｍ）を特定し、仮定排気温度Ｔｅｘ２（ｍ）を目標排気温度に設定する。目標排気温度設定部３３は、例えば、Ｓ０３で暖機対象触媒としてＳＣＲ１４ｃを特定した場合、推定した熱交換量Ｑ３（１）～Ｑ３（ｎ）のうち最大の熱交換量Ｑ３（ｍ）を特定し、仮定排気温度Ｔｅｘ３（ｍ）を目標排気温度に設定する。なお、ｍは、１～ｎに含まれる整数であって熱交換量が最大となる値である。

ＥＣＵ３０は、Ｓ０８において、エンジン制御部３４により、排気温度が目標排気温度となるようにエンジン１の制御を行う。エンジン制御部３４は、例えば、Ｓ０３で特定した暖機対象触媒において排気温度が目標排気温度となるようにエンジン１の制御を行う。

具体的には、目標排気温度設定部３３は、例えば、Ｓ０３で暖機対象触媒としてＤＯＣ１４ａを特定した場合、ＤＯＣ１４ａの排気温度（例えば入口温度）が仮定排気温度Ｔｅｘ１（ｍ）となるようにするため、エンジン１の吸入空気量がｍ番目の仮定空気量となるように可変ノズル２２ａを制御する。目標排気温度設定部３３は、例えば、Ｓ０３で暖機対象触媒としてＤＰＦ１４ｂを特定した場合、ＤＰＦ１４ｂの排気温度（例えば入口温度）が仮定排気温度Ｔｅｘ２（ｍ）となるようにするため、エンジン１の吸入空気量がｍ番目の仮定空気量となるように可変ノズル２２ａを制御する。目標排気温度設定部３３は、例えば、Ｓ０３で暖機対象触媒としてＳＣＲ１４ｃを特定した場合、ＳＣＲ１４ｃの排気温度（例えば入口温度）が仮定排気温度Ｔｅｘ３（ｍ）となるようにするため、エンジン１の吸入空気量がｍ番目の仮定空気量となるように可変ノズル２２ａを制御する。その後、ＥＣＵ３０は、図７の処理を終了する。

以上説明したように、排気浄化装置１００では、暖機される触媒を流れる排気ガスの目標排気温度が、当該触媒の触媒温度よりも高い温度に設定される。暖機される触媒における排気温度が目標排気温度となるように、エンジン１の吸入空気量が制御される。ここで、目標排気温度は、所定燃料量に対して吸入空気量を変化させたときのエンジン１における排気温度と排気エネルギとの関係に基づいて算出されるため、例えば排気エネルギを大きくしたために排気温度が過剰に低くなるような事態を回避しつつ触媒を暖機することができる。したがって、排気浄化装置１００によれば、要求出力に応じた燃料量に対して空気量を変化可能なエンジン１において効率的に触媒を暖機することが可能となる。

排気浄化装置１００では、目標排気温度設定部３３は、暖機される触媒における触媒温度と排気温度と排気流量とに基づいて、当該触媒を流れる排気ガスから当該触媒への熱交換量を推定し、熱交換量に基づいて目標排気温度を設定する。これにより、排気ガスから触媒への熱交換量を触媒の暖機の指標として用いて目標排気温度を設定することができる。

排気浄化装置１００では、目標排気温度設定部３３は、上記関係のもとで複数の仮定排気温度に対する複数の熱交換量を推定し、熱交換量が最大となる仮定排気温度を目標排気温度として設定する。これにより、複数の仮定排気温度における熱交換量のうち最も効率的に触媒を暖機できる目標排気温度を設定することができる。

排気浄化装置１００では、排気通路１２には複数の触媒（ＤＯＣ１４ａ、ＤＰＦ１４ｂ、及びＳＣＲ１４ｃ）が設けられている。エンジン状態取得部３１は、複数の触媒のそれぞれの触媒温度を取得する。排気浄化装置１００は、それぞれの触媒温度と所定の目標触媒温度との比較結果に基づいて、優先的に暖機される触媒である暖機対象触媒を特定する暖機対象触媒特定部３２を更に備える。エンジン制御部３４は、暖機対象触媒における排気温度が目標排気温度となるようにエンジン１の吸入空気量を制御する。これにより、複数の触媒のうち暖機対象触媒として特定した触媒を優先的に暖機することができる。

［変形例］
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限られるものではない。

例えば、複数の触媒のうち上流側から２つめ以降の触媒を優先的に暖機するために、最上流側の触媒を流れる排気ガスの排気温度が、最上流側の触媒の触媒温度よりも低くなってもよい。図８は、図１の排気浄化装置の他の動作例を示すタイミングチャートである。図８（ａ）及び図８（ｂ）では、横軸に時間が示され、縦軸に触媒温度が示されている。

図８（ａ）には、破線Ｌ４、破線Ｌ５、一点鎖線Ｌ６、及び実線Ｌ７が示されている。破線Ｌ４は、複数の触媒の活性温度（例えば共通の温度）を示す。破線Ｌ５は、最上流側の触媒の触媒温度を示し、２つめ以降の触媒の活性温度よりも高い。一点鎖線Ｌ６は、エンジン１からの排気ガスの排気温度を示し、最上流側の触媒の触媒温度よりも高い。そのため、エンジン１からの排気ガスが最上流側の触媒に流入しても、最上流側の触媒の熱は奪われない。しかしながら、この場合、一点鎖線Ｌ６の排気温度が高いのに対して排気エネルギが相対的に小さくなることから、最上流側の触媒を通過した後に排気ガスの排気温度が低下してしまい、２つめ以降の触媒に対する熱交換量が小さくなることがある。その結果、実線Ｌ７のように、２つめ以降の触媒の温度上昇がゆるやかになることがある。

これに対し、図８（ｂ）には、破線Ｌ４、破線Ｌ８、一点鎖線Ｌ９、及び実線Ｌ１０が示されている。図８（ｂ）では、２つめ以降の触媒を優先的に暖機するために、２つめ以降の触媒を暖機対象触媒として目標排気温度が設定されている。その結果、図８（ｂ）では、図８（ａ）よりもエンジン１からの排気エネルギが相対的に大きくされ、排気温度は低くなっている。破線Ｌ８は、最上流側の触媒の触媒温度を示す。一点鎖線Ｌ９は、エンジン１からの排気ガスの排気温度を示し、図８（ａ）よりも低くなっている。よって、最上流側の触媒から排気ガスに熱を奪われる。しかし、熱を奪った排気ガスにより、当該熱が２つめ以降の触媒に運ばれる。したがって、図８（ａ）よりも大きい排気エネルギに加え、奪った熱を利用できるため、実線Ｌ１０のように、２つめ以降の触媒の温度上昇を早期化することが可能となる。

上記実施形態では、排気通路１２にＤＯＣ１４ａ、ＤＰＦ１４ｂ、及びＳＣＲ１４ｃが設けられていたが、これらの少なくとも一つが省略されていたり、順番が入れ替わっていたり、一体的に構成されていたりしてもよい。

上記実施形態では、暖機対象触媒特定部３２が、ＤＯＣ１４ａ、ＤＰＦ１４ｂ、及びＳＣＲ１４ｃのうち、目標触媒温度に対する触媒温度の未達分が最も大きい触媒を暖機対象触媒として特定したが、これに限定されない。例えば目標触媒温度に対する触媒温度の未達分に所定の重み付けを行うなど、別の特定手法で暖機対象触媒を特定してもよい。なお、例えば複数の排気浄化触媒のうちの１つが暖機対象触媒として予め定められている場合、複数の排気浄化触媒が一体的に構成されている場合、あるいは排気通路１２に設けられた排気浄化触媒が１つのみの場合など、暖機対象触媒特定部３２が暖機対象触媒を特定しなくてもよい。この場合、暖機対象触媒特定部３２が省略されてもよい。

上記実施形態では、可変ノズル２２ａの調整によりエンジン１の吸入空気量を増減させたが、可変ノズル２２ａの調整に加えてスロットルバルブ１１を閉じ側に補正することで吸気のエントロピを増加させ、吸気加熱をしてもよい。また、例えば、燃料噴射時期の遅角、排気バルブの早開きなどにより、排気温度を高めてもよい。これらの場合においても、図３及び図５の曲線が右側（排気温度の高温側）に移動するため、移動後の曲線上で運転ポイント及び仮定排気温度などの演算をすることができる。

上記実施形態では、排気温度センサ２７で排気温度Ｔｅｘ１を取得したが、例えばエンジン回転数及びアクセル開度に基づいて所定のマップ等を用いて排気温度Ｔｅｘ１を推定してもよい。また、上記実施形態では、触媒温度Ｔｃａｔ１～Ｔｃａｔ３及び排気温度Ｔｅｘ２，Ｔｅｘ３を推定したが、これらの温度をそれぞれ温度センサで取得してもよい。この場合、温度センサで検出した検出値を用いて推定値を用いなくてもよいし、並行して推定値を求めておいて温度センサで検出した検出値を用いて推定値のフィードバック制御を行ってもよい。

上記実施形態では、運転可能範囲及び運転ポイントを用いたが、必ずしもこれらを用いなくてもよい。

上記実施形態では、目標排気温度設定部３３は、所定燃料量に対して空気量を変化させたときのエンジン１における排気温度と排気エネルギとの関係関係のもとで複数の仮定排気温度に対する複数の熱交換量Ｑを推定し、熱交換量Ｑが最大となる仮定排気温度を目標排気温度として設定したが、これに限定されない。例えば、目標排気温度設定部３３は、エンジン１の運転状態の変化がゆるやかとなるように熱交換量Ｑが最大となる仮定排気温度に向かって徐々に目標排気温度を近付けるように目標排気温度設定してもよい。なお、目標排気温度設定部３３は、必ずしも熱交換量Ｑを推定しなくてもよい。

上記実施形態では、アクセルセンサ２５でエンジン１のアイドリングを検出したが、その他の車載センサを用いてエンジン１のアイドリングを検出してもよい。また、上述の触媒の暖機は、アイドリング中以外に実行してもよい。

上記実施形態では、内燃機関としてディーゼルエンジンを例示したが、要求出力に応じた燃料量に対して空気量を変化可能なものであれば、例えばガソリンエンジン等、その他の内燃機関であってもよい。

１…エンジン（内燃機関）、１２…排気通路、１３…エキゾーストマニホールド（排気通路）、３１…エンジン状態取得部（温度取得部）、３２…暖機対象触媒特定部、３３…目標排気温度設定部、３４…エンジン制御部（制御部）、１００…排気浄化装置。

Claims (3)

1. 要求出力に応じた燃料量に対して空気量を変化可能な内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒の触媒温度を取得する温度取得部と、
   所定燃料量に対して空気量を変化させたときの前記内燃機関における排気温度と排気エネルギとの関係に基づいて、暖機される前記排気浄化触媒を流れる排気ガスの目標排気温度を当該排気浄化触媒の触媒温度よりも高い温度に設定する目標排気温度設定部と、
   暖機される前記排気浄化触媒における排気温度が前記目標排気温度となるように前記内燃機関の空気量を制御する制御部と、を備え、
   前記目標排気温度設定部は、暖機される前記排気浄化触媒における触媒温度と排気温度との差及び排気流量に基づいて、当該排気浄化触媒を流れる排気ガスから当該排気浄化触媒への熱交換量を推定し、前記熱交換量に基づいて前記目標排気温度を設定する、排気浄化装置。
2. 前記目標排気温度設定部は、前記関係のもとで複数の仮定排気温度に対する複数の前記熱交換量を推定し、前記熱交換量が最大となる前記仮定排気温度を前記目標排気温度として設定する、請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記排気通路には複数の前記排気浄化触媒が設けられており、
   前記温度取得部は、複数の前記排気浄化触媒のそれぞれの触媒温度を取得し、
   それぞれの前記触媒温度と所定の目標触媒温度との比較結果に基づいて、優先的に暖機される前記排気浄化触媒である暖機対象触媒を特定する暖機対象触媒特定部を更に備え、
   前記制御部は、前記暖機対象触媒における排気温度が前記目標排気温度となるように前記内燃機関の空気量を制御する、請求項１又は２に記載の排気浄化装置。

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