(57)【要約】【課題】この発明は、内燃機関に排気ガス推定装置に関し、計算負荷の増大を回避しつつ、触媒の劣化を考慮して排気ガス情報の推定精度を良好に確保することを目的とする。【解決手段】内燃機関１０の排気通路２２に配置される触媒４０に流入する触媒入りガスの情報を入力として、触媒出ガスの情報を出力する触媒モデル６０を備える。当該触媒モデル６０を用いて、複数の部位に仮想的に分割された触媒４０の部位毎に、触媒床温Ｔｗ（ｉ）、浄化量Ｘ（ｉ）を算出する。算出された触媒床温Ｔｗ（ｉ）が所定の閾値よりも高い場合には、該当する分割部位に関する浄化量Ｘ（ｉ）の計算をスキップする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置された触媒と、
前記触媒を複数の部位に分け、その部位毎の触媒床温または当該部位毎の入口ガス温度を取得する温度取得手段と、
前記部位毎に、排気ガス中に含まれる未浄化成分の浄化率または浄化量の推定値を算出する浄化指標算出手段と、を備え、
前記浄化指標算出手段は、前記温度取得手段により取得された前記触媒床温または入口ガス温度が所定の閾値よりも高い場合には、該当する前記部位に関する前記推定値の算出を省略する推定値算出省略手段を含むことを特徴とする内燃機関の排気ガス推定装置。
【請求項２】
前記触媒における前記複数の部位は、排気ガスの流れの上流側において当該流れの下流側よりも細かく分割されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス推定装置。
【請求項３】
前記触媒に流入する入口ガスの流量を取得する入口ガス流量取得手段と、
前記触媒の入口ガス流量が少なく、かつ、前記触媒の入口ガス温度の変動が小さい場合に、排気ガスの流れ方向における前記複数の部位の分割数を少なくする分割数可変手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気ガス推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の排気ガス推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１には、内燃機関に用いられる排気ガスの推定装置が開示されている。この従来の推定装置は、内燃機関の運転状態に基づいて、触媒へ流入するガスの特性を推定する触媒入りガスモデルと、予め構築された触媒反応の総括式を用いて、触媒へ流入するガスの特性に基づいて、触媒から排出されるガスの特性を推定する触媒モデルと、触媒に与えられた熱負荷に基づいて、総括式を補正する補正項を求める触媒劣化モデルと、を備えている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１９５０８０号公報
【特許文献２】特開２００７−３２７４７５号公報
【特許文献３】特表平１０−５１２６４７号公報
【特許文献４】特開２００７−２３９４７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の推定装置によれば、触媒に与えられた熱負荷に基づいて、上記総括式を補正することで、熱負荷による触媒の劣化を考慮して、触媒から排出されるガスの特性を高精度に推定することが可能となる。しかしながら、上記のように総括式を補正する際には、複雑な演算を行うことが必要となる場合があり、計算負荷が高くなってしまうことが懸念される。
【０００５】
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、計算負荷の増大を回避しつつ、触媒の劣化を考慮して排気ガス情報の推定精度を良好に確保し得る内燃機関の排気ガス推定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、内燃機関の排気ガス推定装置であって、
内燃機関の排気通路に配置された触媒と、
前記触媒を複数の部位に分け、その部位毎の触媒床温または当該部位毎の入口ガス温度を取得する温度取得手段と、
前記部位毎に、排気ガス中に含まれる未浄化成分の浄化率または浄化量の推定値を算出する浄化指標算出手段と、を備え、
前記浄化指標算出手段は、前記温度取得手段により取得された前記触媒床温または入口ガス温度が所定の閾値よりも高い場合には、該当する前記部位に関する前記推定値の算出を省略する推定値算出省略手段を含むことを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記触媒における前記複数の部位は、排気ガスの流れの上流側において当該流れの下流側よりも細かく分割されていることを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記触媒に流入する入口ガスの流量を取得する入口ガス流量取得手段と、
前記触媒の入口ガス流量が少なく、かつ、前記触媒の入口ガス温度の変動が小さい場合に、排気ガスの流れ方向における前記複数の部位の分割数を少なくする分割数可変手段と、
を更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、触媒床温または入口ガス温度が所定の閾値を超えた分割部位に対して劣化が生じたとみなして浄化率または浄化量の推定値の算出を省略することで、触媒劣化の考慮のために別途新たなモデルを追加することなく、簡易的に触媒劣化を考慮することができる。これにより、計算負荷を低減しつつ、簡易的に触媒劣化を考慮して排気ガス情報の推定精度を良好に確保することが可能となる。
【００１０】
第２の発明によれば、等間隔に分割する場合と比べ、同じ分割数であっても推定精度を効果的に向上させられるようになる。
【００１１】
触媒に流入する入口ガス流量（流速）が少なく、当該入口ガス温度の変動が小さい場合には、排気ガスの流れ方向の分割数が少なくても排気ガスの推定精度は比較的良くなる。このため、第３の発明によれば、そのような状況下での分割数を他の状況下よりも減らすことで、計算負荷の低減と排気ガスの推定精度の最適化を良好に図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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の内燃機関の排気ガス推定装置が適用された内燃機関システムの構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。ここでは、内燃機関１０は、直列４気筒型エンジンであるものとする。内燃機関１０の筒内には、ピストン１２が設けられている。ピストン１２は、コンロッド１４を介してクランク軸１６と連結されている。また、内燃機関１０の筒内には、ピストン１２の頂部側に燃焼室１８が形成されている。燃焼室１８には、吸気通路２０および排気通路２２が連通している。
【００１３】
吸気通路２０の入口付近には、吸入空気量Ｇａを検出するためのエアフローメータ２４が配置されている。また、吸気通路２０には、スロットルバルブ２６が設けられている。スロットルバルブ２６は、アクセル開度と独立してスロットル開度を制御することのできる電子制御式スロットルバルブである。スロットルバルブ２６の近傍には、スロットル開度ＴＡを検出するスロットルポジションセンサ２８が配置されている。スロットルバルブ２６の下流には、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁３０が配置されている。
【００１４】
また、内燃機関が備えるシリンダヘッドには、気筒毎に、燃焼室１８の頂部から燃焼室１８内に突出するように点火プラグ３２がそれぞれ取り付けられている。吸気ポートおよび排気ポートには、それぞれ、燃焼室１８と吸気通路２０、或いは燃焼室１８と排気通路２２を導通状態または遮断状態とするための吸気弁３４および排気弁３６が設けられている。吸気弁３４および排気弁３６は、それぞれ吸気可変動弁（ＶＶＴ）機構３８および排気可変動弁（ＶＶＴ）機構４０により駆動される。可変動弁機構３８、４０は、吸気弁３４や排気弁３６のバルブタイミングを変更可能とする機構である。
【００１５】
内燃機関１０の排気通路２２には、排気ガスを浄化するための触媒４２が配置されている。また、触媒４２の上流には、その位置で排気空燃比を検出するための空燃比センサ４４が配置されており、当該触媒４２の下流には、その位置の空燃比がリッチであるかリーンであるかに応じた信号を発生する酸素センサ４６が配置されている。
【００１６】
図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０には、上述した各種センサに加え、エンジン回転数Ｎｅを検出するためのクランク角センサ５２、吸気カム軸の回転位置（進角量）を検出するためのカム角センサ５４、および、内燃機関１０の冷却水温度を検出するための水温センサ５６などが接続されている。また、ＥＣＵ５０には、変速機のシフトポジション情報を示す信号が入力されるようになっている。また、ＥＣＵ５０には、上述した各種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、およびＥＣＵ５０内に仮想的に構築された後述の触媒モデル６０を用いた演算結果に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御することができるようになっている。
【００１７】
［触媒モデルの概要］
図２は、本発明の実施の形態１における触媒モデル６０の概要を説明するための図である。
触媒モデル６０は、触媒４２へ流入するガス（以下、「入りガス」と称する場合がある）の情報（組成（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）、温度Ｔｇ、流量（＝Ｇａ）など）を入力として、触媒反応をモデル化した総括式により触媒４２から排出されるガス（以下、「出ガス」と称する場合がある）の情報（組成、温度）および触媒床温Ｔｗを出力するモデルであり、これらの入出力値から触媒４２による排気ガスの浄化量Ｘを推定するモデルである。
【００１８】
本実施形態の触媒モデル６０では、モデルの推定精度を向上すべく、排気ガスの流れ方向に対して、触媒４２を複数の部位に仮想的に分割し、その部位毎に触媒床温Ｔｗ（ｉ）、浄化量Ｘ（ｉ）を算出するようにしている。そのうえで、本実施形態では、図２に示すように、ｉ番目の分割部位に流入する入りガス中の計算対象成分（未浄化成分（ＣＯなど）のガス量Ｃｉｎ（ｉ）とｉ番目の分割部位での当該計算対象成分の浄化量Ｘ（ｉ）との差として、ｉ番目の分割部位から排出される出ガス中の計算対象成分のエミッション量Ｃｏｕｔ（ｉ）を算出するようにしている。そして、このような算出をすべての分割部位に対して行うことで、最終的に触媒４２から排出されるガス中のエミッション量Ｃｏｕｔを、筒内から排出されるガス中のガス量Ｃｉｎとすべての分割部位での浄化量の合計値和ΣＸ（ｉ）との差として算出するようにしている。
【００１９】
更に、本実施形態では、図２に示すように、触媒４２を排気ガスの流れの方向に対して複数の部位に分割する際に、排気ガスの流れの上流側の部位を、下流側の部位よりも細かく不当間隔に分割するようにしており、より具体的には、下流側に向かうに従ってより粗くなるように分割するようにしている。
【００２０】
図３は、本発明の実施の形態１における触媒モデル６０とその周辺の構成との関係をより詳細に示す模式図である。図３の構成は、実機の内燃機関システムが排気通路２２に備える触媒４２と、その周辺の構成をモデル化したものである。
【００２１】
図３に示すように、触媒モデル６０には、触媒入りガスモデル６２と、触媒劣化モデル６４とが接続されている。触媒入りガスモデル６２は、内燃機関１０のエンジン回転数Ｎｅ、負荷率ＫＬ、空燃比Ａ／Ｆ、点火時期ＳＡ、バルブタイミングＶＴなどの運転条件の入力値に基づいて、触媒入りガスの組成、温度Ｔｇ、流量Ｇａなどを算出するモデルである。
【００２２】
触媒モデル６０は、触媒入りガスモデル６２で算出された触媒入りガスの上記情報（組成、温度Ｔｇ、流量Ｇａ等）を入力として使用するように構成されている。尚、このような構成に限らず、触媒入りガスの上記情報を検出するための各種センサを備えるようにしてもよい。
【００２３】
触媒モデル６０は、実機の触媒４２で行われる反応を、三元反応と酸素吸脱の総括反応でモデル化したものである。触媒モデル６０は、既述したように、触媒入りガスの情報と触媒出ガスの情報とに基づいて、各分割部位の触媒床温Ｔｗ（ｉ）や浄化量Ｘ（ｉ）を算出することができ、最終的に触媒４２から排出される排気ガス中のトータルエミッション量Ｃｏｕｔ（Ｃｉｎ−ΣＸ（ｉ））を算出することができるようになっている。従って、触媒モデル６０によれば、排気ガスの成分を実測することなく、エミッション値をモデル計算により求めることが可能となる。
【００２４】
図３に示すように、触媒モデル６０には、触媒形状の物性値が入力される。触媒形状の物性値としては、例えば、触媒４２のセルの開口面積、セル数、熱伝達率などがある。触媒モデル６０は、これらの特性値を考慮した上で、触媒出ガスの組成、温度を出力する。
【００２５】
実機システムの触媒４２内では、一酸化炭素ＣＯと一酸化窒素ＮＯとの反応、一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２との反応、炭化水素ＨＣと酸素Ｏ２との反応など、複数の反応が行われる。触媒モデル６０では、これらのすべての反応がモデル化される。そして、触媒モデル６０は、これらの反応のそれぞれについて、触媒４２が有するガスの浄化率に基づいて、触媒入りガスの組成、温度Ｔｇ、流量Ｇａから触媒出ガスの組成、温度を算出する。
【００２６】
以下、一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２との反応を例に挙げて説明する。触媒４２内において、一酸化炭素ＣＯは酸素Ｏ２と反応して二酸化炭素ＣＯ２になる。図４は、この反応による一酸化炭素ＣＯの浄化率（触媒の反応効率）を示す特性図である。図４に示すように、一酸化炭素ＣＯの浄化率は、触媒４２へ流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆに応じて変化する。浄化率は、以下の（１）式で表すことができる。
(数１)
浄化率＝（［ＣＯ］入−［ＣＯ］出）／［ＣＯ］入        ・・・（１）
上記（１）式において、［ＣＯ］入は、触媒入りガス中における一酸化炭素ＣＯの濃度である。また、［ＣＯ］出は、触媒出ガス中における一酸化炭素ＣＯの濃度である。
【００２７】
図４に示すように、空燃比Ａ／Ｆがリッチの場合は、排気ガスに含まれる酸素量が少ないため、一酸化炭素ＣＯの浄化率は低下する。空燃比Ａ／Ｆがリーンになると、排気ガス中に含まれる酸素量が増加するため、一酸化炭素ＣＯの浄化率は増加する。
【００２８】
触媒モデル６０では、一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２との反応において、反応速度定数Ｋを同定することによって、予め図４の特性がモデル化されている。従って、触媒モデル６０によれば、図４の特性を用いることで、触媒入りガスモデル６２から入力された触媒入りガス中の一酸化炭素濃度に基づいて、触媒出ガス中の一酸化炭素濃度を算出することができる。
【００２９】
以下、触媒モデル６０において、図４の特性をモデル化する手法を説明する。一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２が反応する際の速度は、反応速度Ｒによって表される。そして、反応速度Ｒは、反応速度定数Ｋによって決定される。ここで、反応速度Ｒと反応速度定数Ｋとの間には、以下の（２）式の関係が成立する。
(数２)
Ｒ＝Ｋ＊［ＣＯ］入        ・・・（２）
【００３０】
また、反応速度定数Ｋは、通常、以下の（３）式より算出される。
(数３)
Ｋ＝（ａ／Ｇ）＊ｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴｗ）        ・・・（３）
上記（３）式において、ａは頻度因子、Ｇは抑制項、Ｅは活性化エネルギーを示している。また、Ｒは気体定数、Ｔｗは上記のように触媒床温である。ここで、頻度因子ａは、触媒４２における活性ポイントの数を表すパラメータである。頻度因子ａの値が増加するほど活性ポイントの数が増加するため、触媒４２における反応が促進される。従って、頻度因子ａの値が大きくなるほど、反応速度定数Ｋの値は大きくなる。また、活性化エネルギーＥは、反応が生じる際に必要なエネルギーを示している。活性化エネルギーＥの値が小さくなるほど、反応が生じ易くなるため、反応速度定数Ｋの値は小さくなる。尚、触媒床温Ｔｗに代え、触媒入りガス温度Ｔｇを用いても良い。
【００３１】
上記（３）式によれば、頻度因子ａ、抑制項Ｇ、活性化エネルギーＥの値を適正値に設定することで、図４の特性を同定することができる。触媒モデル６０は、上記（３）式を総括式として触媒反応をモデル化することで、触媒入りガス中の組成、温度等に基づいて、触媒出ガス中の組成、温度を出力する。
【００３２】
図４の特性をモデル化する際には、実機の触媒４２から得られる浄化率の実測値に基づいて、反応速度定数Ｋを同定する処理が行われる。以下、図５および図６に基づいて、浄化率と空燃比Ａ／Ｆとの関係の取得方法、更には反応速度定数Ｋを同定する手法を説明する。図５は、空燃比Ａ／Ｆと浄化率との関係を実測する方法を示す模式図である。図５（Ａ）は、触媒入りガス中および触媒出ガス中の一酸化炭素の濃度の実測値を示している。図５（Ａ）において、破線で示す特性は触媒入りガス中の一酸化炭素濃度を示しており、実線で示す特性は触媒出ガス中の一酸化炭素濃度を示している。また、図５（Ｂ）は、実機の触媒４２へ送られる触媒入りガスの空燃比Ａ／Ｆを示している。
【００３３】
図５（Ｂ）に示すように、反応速度定数Ｋを同定する際には、触媒入りガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチ−リーンの間で変化するように、内燃機関１０へ供給される混合気の空燃比Ａ／Ｆが制御される。図５（Ｂ）の例では、時間Ｔを周期として、空燃比Ａ／Ｆが１４と１５の間で変化するように制御が行われる。なお、図５（Ｂ）に示す時刻ｔ０以前には、触媒入りガスの空燃比Ａ／Ｆはリーンに設定されている。
【００３４】
図５（Ａ）に示す一酸化炭素濃度は、触媒入りガスの空燃比Ａ／Ｆを図５（Ｂ）に示す特性で可変させた場合に実測されたものである。図５（Ｂ）中に破線で示すように、時刻ｔ０で空燃比Ａ／Ｆが１４（リッチ）に設定されると、触媒入りガス中の一酸化炭素濃度は比較的高い値となり、時刻ｔ１で空燃比Ａ／Ｆが１５（リーン）に設定されると、触媒入りガス中の一酸化炭素濃度は低下する。
【００３５】
図５（Ａ）に実線で示すように、時刻ｔ０で空燃比Ａ／Ｆが１４（リッチ）に設定された直後は、時刻ｔ０以前の空燃比Ａ／Ｆがリーンであることから、触媒出ガス中の一酸化炭素濃度は低下している。その後、触媒出ガス中の一酸化炭素濃度は、時間の経過とともに上昇し、触媒入りガス中の一酸化炭素濃度と同程度の値となる。
【００３６】
時刻ｔ１で空燃比Ａ／Ｆが１５に設定されると、触媒入りガス中の一酸化炭素濃度が低下し、触媒入りガス中に含まれる一酸化炭素は触媒４２を通過する際にほとんど浄化される。従って、空燃比Ａ／Ｆが１５に設定されている時刻ｔ１から時刻ｔ２の間では、触媒出ガス中の一酸化炭素濃度はほぼ０となる。
【００３７】
図５のように、空燃比Ａ／Ｆがリッチの場合とリーンの場合のそれぞれについて、触媒入りガス中の一酸化炭素濃度と、触媒出ガス中の一酸化炭素濃度が求まると、上記（１）式に基づいて、空燃比Ａ／Ｆがリッチの場合とリーンの場合のそれぞれについて、一酸化炭素の浄化率の実測値を求めることができる。
【００３８】
反応速度定数ｋの同定は、空燃比Ａ／Ｆがリッチの場合における浄化率と、空燃比Ａ／Ｆがリーンの場合の浄化率とに基づいて行われる。この際、一酸化炭素の濃度は、時刻ｔ１の直前の時刻ｔ３、および時刻ｔ２の直前の時刻ｔ４で安定状態となっているため、時刻ｔ３および時刻ｔ４のタイミングで実測された浄化率に基づいて、反応速度定数ｋの同定を行うことで、酸素の吸脱反応による影響を抑えることができ、精度良く同定を行うことができる。
【００３９】
上述のように、時刻ｔ３及び時刻ｔ４における浄化率は、上記（１）式から算出することができる。また、時刻ｔ３における触媒入りガスの空燃比Ａ／Ｆは１４であり、時刻ｔ４における触媒出ガスの空燃比Ａ／Ｆは１５である。従って、空燃比Ａ／Ｆが１４と１５の場合における浄化率を算出することができる。
【００４０】
図６は、図５の手法により算出された空燃比Ａ／Ｆと浄化率の関係に基づいて、反応速度定数Ｋを同定する手法を示す模式図である。図６に示すように、空燃比Ａ／Ｆが１４の場合の浄化率と、空燃比Ａ／Ｆが１５の場合の浄化率は図６中に黒丸でプロットされる。そして、図５の手法による浄化率の算出は、触媒入りガスの空燃比Ａ／Ｆを例えば１４．２と１４．８の間で変化させた場合にも行われる。これにより、図６に示すように、空燃比Ａ／Ｆが１４．２の場合の浄化率と、空燃比Ａ／Ｆが１４．８の場合の浄化率は図６中に白丸でプロットされる。従って、触媒入りガスの空燃比Ａ／Ｆを可変して、このような処理を繰り返すことにより、図４において示すように、浄化率と空燃比Ａ／Ｆとの関係を取得することができる。
【００４１】
そして、このようにして求められた浄化率の特性に適合するように、反応速度定数Ｋの同定が行われる。具体的には、図６の浄化率の特性に適合するように、反応速度定数Ｋを決定するパラメータのうち、頻度因子ａ、抑制項Ｇ、活性化エネルギーＥの値が決定される。同定された反応速度定数Ｋによれば、図４の特性を再現することができる。これにより、触媒モデル６０によれば、触媒入りガスの一酸化炭素濃度に基づいて、触媒出ガスの一酸化炭素濃度を算出することが可能となる。
【００４２】
次に、触媒劣化モデル６４について説明する。実機の触媒４２は、排気ガスによって高温状態となり、触媒床温Ｔｗ、酸素濃度（空燃比）などの熱負荷の要因によって劣化していく。触媒４２が熱負荷の影響により劣化すると、排気ガス中に含まれる各成分の浄化率が変化する。触媒劣化モデル６４は、触媒モデル６０から触媒温度Ｔｗ、酸素濃度などの熱負荷の入力を受け、熱負荷に応じて触媒反応速度定数Ｋ、最大酸素吸蔵量などの特性値が変化する様子をモデル化したものである。
【００４３】
そして、触媒劣化モデル６４から触媒モデル６０には、これらの特性値の変化量を表す入力値が送られるようになっている。従って、触媒モデル６０は、反応速度定数Ｋを同定することで得られた上述した浄化率のモデルと、触媒劣化モデル６４から入力された反応速度定数Ｋの変化量を表すパラメータとに基づいて、触媒劣化を考慮した上で触媒出ガスのエミッションを正確に出力することができる。
【００４４】
尚、上記のような触媒劣化モデル６４の詳細は、例えば特開２００７−２３９７２３号公報に詳述されているのでここではその詳細な説明を省略するものとする。ただし、浄化率の実測値と、モデル化により得られた浄化率との間の乖離量は、触媒入りガスの空燃比Ａ／Ｆまたは触媒床温Ｔｗ（もしくは当該触媒入りガスの温度Ｔｇ）に応じて変化する場合がある。そこで、例えば、上記（３）式の右辺に、空燃比Ａ／Ｆおよび触媒床温Ｔｗに応じて変化する補正項f（Ａ／Ｆ、Ｔｗ）を追加するようにしてもよい。以下の（４）式は、（３）式の右辺に補正項ｆ（Ａ／Ｆ、Ｔｗ）を乗算して得られた式である。
(数４)
Ｋ＝ｆ（Ａ／Ｆ、Ｔｗ）＊（ａ／Ｇ）＊ｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴｗ）        ・・・（４）
尚、上記補正項ｆ（Ａ／Ｆ、Ｔｗ）は、ここでは、空燃比Ａ／Ｆや触媒床温Ｔｗとの関係で予めマップ化されているものとする。
【００４５】
触媒劣化モデル６４は、触媒モデル６０から触媒床温Ｔｗ、酸素濃度などの値を取得し、触媒４２に与えられた熱負荷に応じた補正係数ｆ（Ａ／Ｆ、Ｔｗ）を算出し、算出した補正係数ｆ（Ａ／Ｆ、Ｗ）を触媒モデル６０へ入力する。触媒モデル６０では、（３）式の右辺に補正係数ｆ（Ａ／Ｆ、Ｔｗ）を乗算し、（４）式を構築する。このような手法によれば、触媒モデル６０において、熱負荷による触媒劣化を考慮した上で、触媒出ガスのエミッション値を高精度に算出することが可能となる。
【００４６】
しかしながら、上述した触媒劣化モデル６４を追加的に用いて熱負荷による触媒劣化の影響を考慮する手法に常に頼ることとした場合には、複雑な演算が追加的に行われることとなり、場合によっては計算負荷が高くなってしまうことが懸念される。
【００４７】
［実施の形態１の特徴部分］
そこで、本実施形態では、計算負荷の増大を回避しつつ、熱負荷による触媒４２の劣化を考慮して触媒モデル６０の演算精度を確保できるようにするために、以下のような処理を行うようにした。
【００４８】
すなわち、触媒４２の床温が高くなっている時は、触媒４２が劣化することが想定される。そこで、本実施形態では、触媒床温Ｔｗ（ｉ）が所定の閾値よりも高くなっていることで劣化が想定される分割部位については、当該分割部位において劣化が生じたものと判断するようにした。そして、当該分割部位における浄化量Ｘ（ｉ）の計算をスキップし、当該分割部位における浄化量Ｘ（ｉ）をゼロとみなすこととした。
【００４９】
図７は、上記の機能を実現するために、本実施の形態１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。
図７に示すルーチンでは、先ず、上記の触媒入りガスモデル６２および空燃比センサ４４を用いて、触媒４２の入りガスの情報（組成、温度、流量、空燃比Ａ／Ｆ等）が取得される（ステップ１００）。尚、当該入りガスの各種情報は、上記触媒入りガスモデル６２を用いる手法に代え、各種センサによって実測するようにしてもよい。
【００５０】
次に、分割部位毎に、触媒床温Ｔｗ（ｉ）が、触媒壁とガスとの熱伝達、触媒壁での熱伝導、および生成熱を考慮した以下の（５）式に従って算出される（ステップ１０２）。尚、この触媒床温Ｔｗ（ｉ）についても、温度センサによって実測する方法を利用することもできる。
【数５】
2010106718.tif 000003
上記（５）式において、σは触媒セルの開口率、ρｇはガス密度、ρｗは触媒密度、Ｃｐｇはガス比熱、Ｃｐｗは触媒比熱、ｈｚは熱伝達率、λｗは熱伝導率、Ｓｇｅｏは幾何学的表面積、およびνｇはガス流速である。
【００５１】
次に、触媒４２の各分割部位の劣化条件が成立しているか否か、より具体的には、触媒床温Ｔｗ（ｉ）が所定の閾値よりも高くなっているか否かが判別される（ステップ１０４）。本ステップ１０４における閾値は、触媒４２が熱負荷による劣化によって浄化率が悪化する温度として、予め実験やシミュレーションにより決定された値である。
【００５２】
上記ステップ１０４において、ある分割部位における触媒床温Ｔｗ（ｉ）が上記閾値よりも高くないと判定された場合には、当該分割部位は劣化していないと判断され、当該分割部位における浄化量Ｘ（ｉ）が算出される（ステップ１０６）。より具体的には、当該分割部位における各成分の浄化率は、図４〜６を参照して既述した手法によって空燃比Ａ／Ｆとの関係で取得することができる。浄化量Ｘ（ｉ）は、そのようにして取得される浄化率と当該分割部位に流入する計算対象成分のガス量Ｃｉｎ（ｉ）とに基づいて算出することができる。
【００５３】
一方、上記ステップ１０４において、ある分割部位における触媒床温Ｔｗ（ｉ）が上記閾値よりも高くなっていると判定された場合には、当該分割部位が劣化していると判断される。この場合には、当該分割部位に対して劣化フラグがＯＮとされ、当該分割部位における浄化量Ｘ（ｉ）がゼロとされ、浄化量計算がスキップされる。
【００５４】
上記ステップ１０６および１０８の処理によってすべての分割部位に対して浄化量Ｘ（ｉ）の算出（ゼロとみなす場合も含む）が終了すると、次いで、触媒４２から排出される排気ガス中に含まれるエミッション量がトータルエミッション量Ｃｏｕｔとして、対象成分（ＮＯｘ等）毎に算出される（ステップ１１０）。具体的には、既述したように、ある成分の触媒４２への入りガス量をＣｉｎとすると、当該成分の触媒４２からの出ガス量（トータルエミッション量）Ｃｏｕｔが（Ｃｉｎ−ΣＸ（ｉ））として算出される。
【００５５】
以上説明した図７に示すルーチンによれば、触媒床温Ｔｗ（ｉ）が上記閾値を超えた分割部位に対して劣化が生じたとみなして浄化量計算をスキップすることで、触媒モデル６０が触媒劣化の考慮のために別途新たなモデルを必要とすることなく、簡易的に触媒劣化を考慮することができる。これにより、触媒４２の後方に排出されるエミッション値を逐次推定する触媒モデルを備える構成において、計算負荷を低減しつつ、簡易的に触媒劣化を考慮してエミッションの推定精度を良好に確保することが可能となる。
【００５６】
また、本実施形態では、図２に示すように、触媒４２を排気ガスの流れの方向に対して複数の部位に分割する際に、排気ガスの流れの上流側の部位を、下流側の部位よりも細かく不当間隔に分割するようにしており、より具体的には、下流側に向かうに従ってより粗くなるように分割するようにしている。一般的に、触媒の上流側の部位は、下流側の部位と比べ、高温の排気ガスが流入し、またガスの乱れが大きいので熱伝達率が高い。このため、上流側の部位では、温度が非常に変化する。暖機過程においてこの特性を利用するために、上流側の貴金属の担持量を増やした触媒も知られている。その一方で、劣化し易い部分も上流側である。  
【００５７】
触媒モデル６０では、排気ガスの流れ方向の分割数を増やすほど、推定精度が向上し、当該分割数を減らせば計算負荷が低減される。よって、触媒モデル６０において、温度変化の大きいために触媒モデル６０の推定精度への影響が大きい上流側の部位を細かく分割することにより、触媒モデル６０によるエミッションの推定精度を向上させることができる。そのうえで、温度変化が比較的小さいために触媒モデル６０の推定精度への影響が小さい下流側の部位を粗く分割することで、計算負荷の増大を防ぐことができる。このように、本実施形態の分割手法によれば、等間隔に分割する場合と比べ、同じ分割数であっても触媒モデル６０の推定精度を効果的に向上させられるようになる。  
【００５８】
ところで、上述した実施の形態１においては、分割部位毎に触媒床温Ｔｗ（ｉ）を所定の閾値と比較して、各分割部位が劣化しているか否かを判断するようにしている。しかしながら、そのような判断に用いるパラメータは、触媒床温Ｔｗ（ｉ）に限られず、例えば、各分割部位に流入する入りガス温度Ｔｇ（ｉ）であってもよい。  
【００５９】
尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０２または１００の処理を実行することにより前記第１の発明における「温度取得手段」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「浄化指標算出手段」が、そして、上記ステップ１０４および１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「推定値算出省略手段」が、それぞれ実現されている。
【００６０】
実施の形態２．
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成および図２、３に示す触媒モデル６０の構成を用いて、ＥＣＵ５０に図７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ものである。
【００６１】
本実施形態のシステムは、内燃機関１０の運転条件、触媒入りガス流量Ｇａ、および触媒入りガス温度Ｔｇに基づいて、触媒モデル６０の分割数を変化させている点に特徴を有している。より具体的には、本実施形態では、例えば暖機後のアイドリング時のように内燃機関１０が定常状態にあると判断できる運転条件下であって、触媒入りガス流量Ｇａおよび触媒入りガス温度Ｔｇがともに安定している場合に、触媒モデル６０の分割数を、他の運転条件下での分割数よりも少なくしている。  
【００６２】
図８は、上記の機能を実現するために、本実施の形態２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。
図８に示すルーチンでは、先ず、触媒入りガスモデル６２（もしくはセンサ）を用いて、触媒入りガス流量Ｇａおよび触媒入りガス温度Ｔｇがそれぞれ取得される（ステップ２００）。
【００６３】
次に、現在の車両のシフトポジション情報が取得される（ステップ２０２）。次いで、取得されたシフトポジションがＮ（ニュートラル）レンジであるか否かが判別される（ステップ２０４）。  
【００６４】
その結果、上記ステップ２０４において、現在のシフトポジションがＮレンジでないと判定された場合には、通常の分割数の設定を用いて、触媒モデル６０によってエミッション量Ｃｏｕｔが算出される（ステップ２０６）。  
【００６５】
一方、上記ステップ２０４において、現在のシフトポジションがＮレンジであると判定された場合、つまり、内燃機関１０が定常状態にあると判断できる場合には、次いで、触媒入りガス流量Ｇａおよび触媒入りガス温度Ｔｇがともに安定している安定条件が成立しているか否かが判別される（ステップ２０８）。  
【００６６】
その結果、上記ステップ２０８において、上記安定条件が成立していないと判定された場合には、通常の分割数の設定を用いてエミッション量Ｃｏｕｔが算出される（ステップ２０６）。一方、上記安定条件が成立していると判定された場合には、通常の分割数よりも少ない分割数の設定を用いた触媒モデル６０を利用して、エミッション量Ｃｏｕｔが算出される（ステップ２１０）。  
【００６７】
以上説明した図８に示すルーチンによれば、内燃機関１０が定常状態にあると判断でき、かつ、触媒入りガス流量Ｇａおよび触媒入りガス温度Ｔｇがともに安定していると判断できる場合には、触媒モデル６０の分割数が通常よりも少なくなるように設定される。触媒入りガス流量Ｇａ（流速）が少なく、触媒入りガス温度Ｔｇの変動が小さい場合には、排気ガスの流れ方向の分割数が少なくても触媒床温Ｔｗや浄化量Ｘの推定精度は比較的良くなる。このため、そのような状況下での分割数を他の状況下よりも減らすことで、計算負荷の低減とモデル推定精度の最適化を良好に図ることができる。  
【００６８】
ところで、上述した実施の形態２においては、上記ステップ２０２および２０４の処理によって、内燃機関１０の運転状態が定常な状態にあるか否かを判断するようにしている。しかしながら、内燃機関１０が定常状態にあるか否かを判断できる条件は、上記の判断手法に限られるものではない。  
【００６９】
また、上述した実施の形態２においては、内燃機関１０が定常状態にあると判断でき、かつ、触媒入りガス流量Ｇａおよび触媒入りガス温度Ｔｇがともに安定していると判断できる場合に、触媒モデル６０の分割数を通常よりも少なくなるように設定している。しかしながら、エミッション推定精度と計算負荷低減との最適化という点においては、このような手法に限らず、例えば、急加速時などの内燃機関１０の運転状態が急変する条件下において、触媒モデル６０の分割数を他の運転条件下よりも増やすようにし、エミッション推定精度を計算負荷低減よりも優先させてもよい。  
【００７０】
尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ２００の処理を実行することにより前記第３の発明における「入口ガス流量取得手段」が、そして、上記ステップ２０４〜２１０の処理を実行することにより前記第３の発明における「分割数可変手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の実施の形態１の内燃機関の排気ガス推定装置が適用された内燃機関システムの構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１における触媒モデルの概要を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１における触媒モデルとその周辺の構成との関係をより詳細に示す模式図である。
【図４】一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２との反応による一酸化炭素ＣＯの浄化率（触媒の反応効率）を示す特性図である。
【図５】空燃比Ａ／Ｆと浄化率との関係を実測する方法を示す模式図である。
【図６】図５の手法により算出された空燃比Ａ／Ｆと浄化率の関係に基づいて、反応速度定数Ｋを同定する手法を示す模式図である。
【図７】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。
【図８】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。
【符号の説明】
【００７２】
１０  内燃機関
２０  吸気通路
２２  排気通路
２４  エアフローメータ
４２  触媒
４４  空燃比センサ
４６  酸素センサ
５０  ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
５２  クランク角センサ
６０  触媒モデル
６２  触媒入りガスモデル
６４  触媒劣化モデル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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