(57)【要約】【課題】演算負荷を軽減しつつも、触媒の温度を高精度に算出できるようにした触媒温度算出装置を提供する。【解決手段】ＣＰＵ５２は、三元触媒２４の上流側から下流側までの領域を、中央部の熱容量が前端部および後端部の熱容量よりも大きくなるように前端部、中央部、および後端部の３つに分割して、三元触媒２４の温度を推定する。すなわち、ＣＰＵ５２は、前端部の温度が中央部の温度よりも高い場合には、前端部から中央部に熱が移動するとして中央部の温度を算出する。【選択図】図１
2020056324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に触媒を備える内燃機関に適用され、
前記触媒の上流側から下流側までの領域を、中央部の熱容量が前端部および後端部の熱容量よりも大きくなるように前記前端部、前記中央部、および前記後端部の３つに分割し、
前記前端部の温度および前記後端部の温度に基づき、前記中央部の温度を算出する中央部温度算出処理を実行し、
前記中央部温度算出処理は、前記前端部の温度が前記中央部の温度よりも低い場合に前記中央部から前記前端部に熱が移動するとして前記中央部の温度を低下させる前端部依存低下処理と、
前記後端部の温度が前記中央部の温度よりも低い場合に前記中央部から前記後端部に熱が移動するとして前記中央部の温度を低下させる後端部依存低下処理と、を含む触媒温度算出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば下記特許文献１には、触媒の上流側から下流側までの領域を５つ以上のセルに分割しそれら各セルの温度の不均一性を考慮して触媒の温度を推定する装置が記載されている（段落「００３５」）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２２３６７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、上記のように触媒を複数の領域に分割する場合、分割数が多いほど触媒の温度の推定精度を高めることができる。ただし、分割数を多くする場合には、演算負荷が大きくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決すべく、触媒温度算出装置は、排気通路に触媒を備える内燃機関に適用され、前記触媒の上流側から下流側までの領域を、中央部の熱容量が前端部および後端部の熱容量よりも大きくなるように前記前端部、前記中央部、および前記後端部の３つに分割し、前記前端部の温度および前記後端部の温度に基づき、前記中央部の温度を算出する中央部温度算出処理を実行し、前記中央部温度算出処理は、前記前端部の温度が前記中央部の温度よりも低い場合に前記中央部から前記前端部に熱が移動するとして前記中央部の温度を低下させる前端部依存低下処理と、前記後端部の温度が前記中央部の温度よりも低い場合に前記中央部から前記後端部に熱が移動するとして前記中央部の温度を低下させる後端部依存低下処理と、を含む。
【０００６】
上記構成では、触媒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、中央部の熱容量を前端部および後端部の熱容量よりも大きいとして、中央部の温度を算出する。これにより、過渡時における触媒内の温度の不均一性を考慮して触媒の温度を算出できる。特に、中央部が、前端部や後端部と比較して外気に直接触れないために保温性が高いことを熱容量の大小で表現できる。したがって、触媒の領域をさらに細分化してそれら各領域間の熱交換を算出する場合と比較すると、触媒温度算出装置の演算負荷を軽減しつつも、触媒の温度を高精度に算出できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】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。
【図２】同実施形態にかかる制御装置が実行する処理の手順を示す流れ図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、触媒温度算出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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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、三元触媒２４の上流側に設けられた空燃比センサ６４によって検出される空燃比Ａｆ、水温センサ６６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。
【００１３】
制御装置５０は、ＣＰＵ５２、ＲＯＭ４４、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。
【００１４】
特に制御装置５０は、三元触媒２４の上流側から下流側の領域を、前端部、中央部および後端部に３分割し、前端部および後端部の熱容量を三元触媒２４の熱容量ＨＣの「１／５」として、前端部の温度（前端部温度Ｔｃａｔｆ）や中央部の温度（中央部温度Ｔｃａｔｃ）を算出する処理を実行する。
【００１５】
図２に、上記温度の算出処理の手順を示す。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。
【００１６】
図２に示す一連の処理において、ＣＰＵ５２は、内燃機関１０の停止中であるか否かを判定する（Ｓ１０）。そしてＣＰＵ５２は、停止中と判定する場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、燃焼制御がなされていないことを前提として、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（Ｓ１２）。詳しくは、後述する前端部温度Ｔｃａｔｆの前回値にガス熱容量ＨＣｇを乗算した値を、ガス熱量Ｑｅｘｇｆに代入する。なお、ガス熱容量ＨＣｇは、三元触媒２４に流入する流体の熱容量である。
【００１７】
一方、ＣＰＵ５２は、停止中ではないと判定する場合（Ｓ１０：ＮＯ）、入りガス温度Ｔｉｎと、前端部に吸蔵されている酸素と未燃燃料との反応による流体の温度上昇量である前端部ＨＣ反応上昇量ΔＦＨとの和に、ガス熱容量ＨＣｇを乗算した値を、ガス熱量Ｑｅｘｇｆに代入する（Ｓ１４）。入りガス温度Ｔｉｎは、三元触媒２４に流入する流体の温度であり、ＣＰＵ５２により、たとえば回転速度ＮＥおよび充填効率ηに応じて算出される。また、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。なお、ＣＰＵ５２は、空燃比Ａｆが理論空燃比よりもリッチな場合、前端部ＨＣ反応上昇量ΔＦＨをゼロよりも大きい値とする一方、空燃比Ａｆが理論空燃比または理論空燃比よりもリーンの場合、前端部ＨＣ反応上昇量ΔＦＨをゼロとする。詳しくは、ＣＰＵ５２は、三元触媒２４の酸素吸蔵量の変化量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、ガス熱容量ＨＣｇとによって除算した値に係数α（０＜α＜１）を乗算することによって、前端部ＨＣ反応上昇量ΔＦＨを算出する。なお、酸素吸蔵量の変化量は、空燃比Ａｆおよび吸入空気量Ｇａに基づき算出される。
【００１８】
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（Ｓ１６）。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。
【００１９】
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（Ｓ１８）。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。
【００２０】
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（Ｓ２０）。ＣＰＵ５２は、前端部温度Ｔｃａｔｆと、三元触媒２４に流入した酸素と三元触媒２４のセリウムとの反応による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との和を、三元触媒２４の熱容量ＨＣの「１／５」倍の値で除算することによって、触媒熱量Ｑｃａｔｆを算出する。なお、ＣＰＵ５２は、空燃比Ａｆが理論空燃比よりもリーンな場合、前端部セリウム反応上昇量ΔＦＣをゼロよりも大きい値とし、空燃比Ａｆが理論空燃比または理論空燃比よりもリッチな場合、前端部セリウム反応上昇量ΔＦＣをゼロとする。詳しくは、ＣＰＵ５２は、酸素吸蔵量がゼロから最大値となるまでの三元触媒２４の温度上昇量である最大温度上昇量に、酸素吸蔵量の変化量を乗算し、最大値を除算した値に、係数αを乗算することによって、前端部セリウム反応上昇量ΔＦＣを算出する。
【００２１】
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、ガス熱容量ＨＣｇと三元触媒２４の熱容量ＨＣの「１／５」倍の値との和で除算した値によって、前端部温度Ｔｃａｔｆを更新する（Ｓ２２）。
【００２２】
次にＣＰＵ５２は、内燃機関１０の停止中であるか否かを判定する（Ｓ２４）。そしてＣＰＵ５２は、停止中と判定する場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）、燃焼制御がなされていないことを前提として、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排気の熱量（ガス熱量Ｑｅｘｇｃ）を算出する（Ｓ２６）。詳しくは、後述する中央部温度Ｔｃａｔｃの前回値にガス熱容量ＨＣｇを乗算した値を、ガス熱量Ｑｅｘｇｃに代入する。これに対しＣＰＵ５２は、停止中ではないと判定する場合（Ｓ２４：ＮＯ）、中央部に流入する排気の温度とみなされる前端部温度Ｔｃａｔｆと、中央部に吸蔵されている酸素と未燃燃料との反応による排気の温度上昇量である中央部ＨＣ反応上昇量ΔＣＨとの和に、ガス熱容量ＨＣｇを乗算した値を、ガス熱量Ｑｅｘｇｃに代入する（Ｓ２８）。なお、ＣＰＵ５２は、空燃比Ａｆが理論空燃比よりもリッチな場合、中央部ＨＣ反応上昇量ΔＣＨをゼロよりも大きい値とする一方、空燃比Ａｆが理論空燃比または理論空燃比よりもリーンの場合、中央部ＨＣ反応上昇量ΔＣＨをゼロとする。詳しくは、ＣＰＵ５２は、三元触媒２４の酸素吸蔵量の変化量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、ガス熱容量ＨＣｇとによって除算した値に係数「１−α」を乗算することによって、中央部ＨＣ反応上昇量ΔＣＨを算出する。
【００２３】
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（Ｓ３０）。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。
【００２４】
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（Ｓ３２）。本実施形態では、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、内燃機関１０の停止時等において三元触媒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。なお、後端部交換量Ｑｃｂを前端部交換量Ｑｃｆに等しいとみなすことは、後端部の温度が前端部温度Ｔｃａｔｆと等しいとみなすことに相当する。
【００２５】
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（Ｓ３４）。ＣＰＵ５２は、中央部温度Ｔｃａｔｃと、三元触媒２４に流入した酸素と三元触媒２４のセリウムとの反応による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との和に、三元触媒２４の熱容量ＨＣの「３／５」倍の値を乗算することによって、触媒熱量Ｑｃａｔｃを算出する。なお、ＣＰＵ５２は、空燃比Ａｆが理論空燃比よりもリーンな場合、中央部セリウム反応上昇量ΔＣＣをゼロよりも大きい値とし、空燃比Ａｆが理論空燃比または理論空燃比よりもリッチな場合、中央部セリウム反応上昇量ΔＣＣをゼロとする。詳しくは、ＣＰＵ５２は、酸素吸蔵量がゼロから最大値となるまでの三元触媒２４の温度上昇量である最大温度上昇量に、酸素吸蔵量の変化量を乗算し、最大値を除算した値に、係数「１−α」を乗算することによって、中央部セリウム反応上昇量ΔＣＣを算出する。
【００２６】
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、三元触媒２４の熱容量ＨＣの「３／５」倍の値とガス熱容量ＨＣｇとの和で除算した値によって、中央部温度Ｔｃａｔｃを更新する（Ｓ３６）。なお、ＣＰＵ５２は、Ｓ５８の処理が完了する場合、図２に示す一連の処理を一旦終了する。
【００２７】
ＣＰＵ５２は、車両が走行可能な状態であって且つ内燃機関１０の停止状態において、Ｓ３６の処理によって算出された中央部温度Ｔｃａｔｃが規定温度以下となる場合、内燃機関１０を起動し、三元触媒２４の起動時に三元触媒２４が活性状態となっていることを保証し、起動時における排気浄化性能を確保する。なお、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。
【００２８】
ここで、本実施形態の作用および効果について説明する。
ＣＰＵ５２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、中央部の熱容量を前端部および後端部の熱容量よりも大きいとして、前端部温度Ｔｃａｔｆおよび中央部温度Ｔｃａｔｃを算出する。これにより、過渡時における三元触媒２４内の温度の不均一性を考慮して三元触媒２４の温度を算出できる。特に、中央部が、前端部や後端部と比較して外気に直接触れないために保温性が高いことを熱容量の大小で表現できる。したがって、三元触媒２４の領域をさらに細分化してそれら各領域間の熱交換を算出する場合と比較すると、ＣＰＵ５２の演算負荷を軽減しつつも、三元触媒２４の温度を高精度に算出できる。
【００２９】
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）中央部と前端部との熱交換量と、中央部と後端部との熱交換量とを等しいとみなし、後端部の温度算出処理を削除した。燃焼室１４において混合気の燃焼制御を実行しない場合には、前端部とその上流との熱交換と、後端部とその下流との熱交換との差が小さいことから、中央部と前端部との熱交換量と、中央部と後端部との熱交換量との差も無視できる。そのため、本実施形態によれば、燃焼制御の停止時における三元触媒２４の温度を高精度に算出しつつも、ＣＰＵ５２の演算負荷を軽減できる。
【００３０】
＜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。触媒温度算出装置は、制御装置５０に対応する。中央部温度推算出処理は、Ｓ２４〜Ｓ３６の処理に対応し、前端部依存低下処理は、Ｓ３０，Ｓ３６の処理に対応し、後端部依存低下処理は、Ｓ３２，Ｓ３６の処理に対応する。
【００３１】
＜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。
【００３２】
・上記実施形態では、前端部および後端部の熱容量を、三元触媒２４全体の熱容量の「１／５」としたが、これに限らない。
・前端部および後端部の熱容量をたがいに等しいとすることも必須ではない。
【００３３】
・後端部交換量Ｑｃｂを前端部交換量Ｑｃｆと等しいとすることも必須ではなく、たとえば後端部よりも下流の流体の温度を外気温とみなして、後端部と下流の流体との熱交換等に基づき後端部の温度を算出し、後端部の温度に基づき後端部交換量Ｑｃｂを算出してもよい。
【００３４】
・Ｓ２２，Ｓ３６の処理において算出された温度の指数移動平均処理値やローパスフィルタ処理値を最終的な前端部温度Ｔｃａｔｆや最終的な中央部温度Ｔｃａｔｃとしてもよい。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排気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、Ｓ２２，Ｓ３６の処理において算出された温度に指数移動平均処理やローパスフィルタ処理を施すことは必須ではない。たとえば、Ｓ１４の処理における前端部ＨＣ反応上昇量ΔＦＨやＳ２８の処理における中央部ＨＣ反応上昇量ΔＣＨを、中央部ＨＣ反応上昇量ΔＣＨに「０」よりも大きくて「１」よりも小さい定数を乗算した値に変更してもよい。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排気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、除算した値だけ高い温度へと収束する現象を表現できる。
【符号の説明】
【００３５】
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、４６…充電器、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…空燃比センサ、６６…水温センサ。
【図１】
2020056324.tif 000003
【図２】
2020056324.tif 000004