JP4998341B2

JP4998341B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4998341B2
Application number: JP2008065695A
Authority: JP
Inventors: 俊博森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2028-03-14
Also published as: JP2009221915A

Description

本発明は、上流触媒及び下流触媒が排気通路上に直列に配置された内燃機関の排気浄化装置に関する。

この種の技術が、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１には、下流触媒の前後に排気温センサを設けて、下流触媒前後の排気温の差に基づいて下流触媒でのＨＣ反応量を推定することによって、上流触媒へのＨＣ供給量を制御する技術が提案されている。具体的には、下流触媒でのＨＣ反応量（ＨＣ供給量）が不足している場合には、上流からのＨＣ供給量を増量する制御を行っている。こうすることで、上流触媒及び下流触媒に対する過不足のないＨＣの供給を図っている。

特開平１１−３５０９３９号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載された技術では、精度良く制御を行うために、下流触媒前後の排気温を取得するための２つの温度センサを用いる必要があった。そのため、コストアップしてしまう場合があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、１つの温度センサのみを用いて、下流触媒の温度を精度よく推定可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの観点では、排気通路上に設けられた第１の触媒と、前記排気通路上における前記第１の触媒の下流側に設けられた第２の触媒と、を備えた内燃機関の排気浄化装置は、前記第１の触媒からのすり抜けＨＣ量を推定するすり抜けＨＣ量推定手段と、前記すり抜けＨＣ量に基づいてすり抜けＨＣによる前記第２の触媒の発熱を求め、当該発熱に基づいて前記第２の触媒の温度を推定する第２の触媒温度推定手段と、を備え、前記すり抜けＨＣ量推定手段は、前記第１の触媒への入りガス温度及び前記第２の触媒の目標温度に基づいて前記第１の触媒及び前記第２の触媒へのＨＣ供給量を規定すると共に、前記入りガス温度及び前記第１の触媒の温度に基づいて前記第１の触媒におけるＨＣ反応量を規定し、前記ＨＣ供給量に対する前記ＨＣ反応量の割合を求め、前記割合に基づいて前記すり抜けＨＣ量を推定する。

上記の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路上に直列に配置された第１の触媒（上流触媒）及び第２の触媒（下流触媒）を用いて、内燃機関から排出された排気ガスを浄化するために好適に利用される。すり抜けＨＣ量推定手段は、第１の触媒からすり抜けたＨＣ量を推定し、第２の触媒温度推定手段は、第１の触媒からすり抜けたＨＣによる第２の触媒の発熱を考慮して第２の触媒温度を推定する。これにより、第２の触媒における前後の排気温を用いずに（例えば、第２の触媒前後の排気温を取得するための２つの温度センサを用いずに）、第２の触媒の温度を精度良く推定することが可能となる。
具体的には、すり抜けＨＣ量推定手段は、第１の触媒への入りガス温度及び第２の触媒の目標温度に基づいて第１の触媒及び第２の触媒へのＨＣ供給量を規定すると共に、第１の触媒への入りガス温度及び第１の触媒の温度に基づいて第１の触媒におけるＨＣ反応量を規定し、ＨＣ供給量に対するＨＣ反応量に基づいてすり抜けＨＣ量を推定する。これにより、すり抜けＨＣ量を精度良く推定することができる。

上記の内燃機関の排気浄化装置において好適には、前記第１の触媒と前記第２の触媒との間を通過する排気ガスの温度を取得する排気ガス温度取得手段を更に備え、前記第２の触媒温度推定手段は、前記すり抜けＨＣによる前記第２の触媒の発熱を含む前記第２の触媒の発熱量と放熱量との差に対応する温度を、前記排気ガス温度取得手段によって取得された排気ガスの温度に加算することによって、前記第２の触媒の温度を求める。これにより、第１の触媒と第２の触媒との間の排気温のみを取得することで（例えば１つの温度センサのみを用いることで）、第２の触媒の温度を精度良く推定することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［全体構成］
図１は、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置１０の概略構成図を示す。図１では、実線矢印が排気ガスの流れを示し、破線矢印が信号の入出力を示している。

内燃機関の排気浄化装置１０は、主に、排気通路１と、上流触媒２と、下流触媒３と、排気温センサ４と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）７と、を有する。内燃機関の排気浄化装置１０は、車両に搭載され、内燃機関（ガソリンエンジンやディーゼルエンジン）から排出された排気ガスを浄化するために利用される。

上流触媒２及び下流触媒３は、排気ガス中のＮＯｘやＳＯｘなどを浄化可能に構成されている。例えば、上流触媒２は酸化触媒などで構成され、下流触媒３はＤＰＲ（Diesel Particulate active Reduction system）などで構成される。上流触媒２及び下流触媒３には、上流触媒２の上流側から、ＮＯｘの還元剤として燃料等のＨＣ（炭化水素）が供給される。例えば、燃料噴射弁（不図示）や排気通路１上に設けられた燃料添加弁（不図示）より燃料を添加することによって、上流触媒２及び下流触媒３へＨＣが供給される。なお、上流触媒２、下流触媒３は、それぞれ本発明における第１の触媒、第２の触媒に相当する。

排気温センサ４は、上流触媒２と下流触媒３との間の排気通路１上に設けられており、排気ガスの温度（排気温）を検出する。当該排気温は、下流触媒３への入りガス温度に相当する。排気温センサ４は、検出した排気温に対応する検出信号をＥＣＵ７に供給する。なお、排気温センサ４は、本発明における排気ガス温度取得手段に相当する。

ＥＣＵ７は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えて構成される。本実施形態においては、ＥＣＵ７は、上流触媒２からのすり抜けＨＣ量を推定するすり抜けＨＣ量推定手段、及び下流触媒３の温度を推定する第２の触媒温度推定手段として機能する。なお、ＥＣＵ７が行う処理の詳細は後述する。

なお、図１に示すように、以下では、上流触媒２の上流側の排気温（上流触媒２への入りガス温度）を「Ｔ１」と表記し、上流触媒２の温度を「Ｔｃ１」と表記し、上流触媒２と下流触媒３との間の排気温（排気温センサ４によって検出される温度）を「Ｔ２」と表記し、下流触媒３の温度を「Ｔｃ２」と表記する。

［下流触媒温度推定方法］
次に、本実施形態における下流触媒３の温度Ｔｃ２の推定方法について具体的に説明する。

本実施形態では、ＥＣＵ７は、上流触媒２からすり抜けたＨＣによる下流触媒３の発熱を考慮して下流触媒３の温度Ｔｃ２を推定する。具体的には、ＥＣＵ７は、上流触媒２をすり抜けたＨＣ量（下流触媒３へのＨＣ供給量にも相当し、以下では「上流触媒すり抜けＨＣ量」と呼ぶ。）を推定し、当該上流触媒すり抜けＨＣ量に基づいてすり抜けＨＣによる下流触媒３の発熱を求める。この場合、ＥＣＵ７は、上流触媒２への入りガス温度Ｔ１、上流触媒２の温度Ｔｃ１、及び下流触媒３の目標温度に基づいて、上流触媒２へのＨＣ供給量に対する当該上流触媒２におけるＨＣ反応量の割合を求め、当該割合に基づいて上流触媒すり抜けＨＣ量を推定する。そして、ＥＣＵ７は、すり抜けたＨＣによる下流触媒３の発熱を含む下流触媒３の発熱量と放熱量との差に対応する温度（以下では、「ΔＴ」と表記する。）を、排気温センサ４によって検出された排気温Ｔ２に加算することによって、下流触媒３の温度Ｔｃ２を求める。

このように下流触媒３の温度Ｔｃ２を推定する理由は、以下の通りである。排気温センサ４が検出した排気温のみを用いて下流触媒３の温度Ｔｃ２を推定した場合、言い換えると下流触媒３の前後の排気温を取得するための２つの温度センサを用いずに排気温センサ４のみを用いて下流触媒３の温度Ｔｃ２を推定した場合、推定された温度が実際の下流触媒３の温度からずれてしまう場合がある。こうなるのは、上流触媒２からすり抜けたＨＣによる下流触媒３の発熱に起因するものと考えられる。つまり、上流触媒２からＨＣがすり抜けたことにより、下流触媒３での反応ＨＣ量が変化したためであると考えられる。

したがって、本実施形態では、上流触媒２からすり抜けたＨＣによる下流触媒３の発熱を考慮して下流触媒３の温度Ｔｃ２を推定する。これにより、１つの排気温センサ４のみを用いて、下流触媒３の温度Ｔｃ２を精度良く推定することができる。

次に、下流触媒３の温度Ｔｃ２の推定方法について、より詳細に説明する。

ＥＣＵ７は、前述した下流触媒３の温度Ｔｃ２と排気温センサ４によって検出された排気温Ｔ２との温度差ΔＴ（ΔＴ＝Ｔｃ２−Ｔ２）を算出し、算出された温度差ΔＴから下流触媒３の温度Ｔｃ２を推定する。ここで、当該温度差ΔＴは、下流触媒３における発熱量（以下、「下流触媒発熱量」と呼ぶ。）と放熱量との差に相当すると言える。したがって、ＥＣＵ７は、下流触媒発熱量及び放熱量をそれぞれ求めることで、温度差ΔＴを算出する。そして、ＥＣＵ７は、算出された温度差ΔＴを排気温センサ４によって検出された排気温Ｔ２に加算することで、下流触媒３の温度Ｔｃ２を求める。なお、放熱量とは、排気温センサ４の下流で放熱された熱量、詳しくは排気温センサ４と下流触媒３（下流触媒３内も含む）との間で放熱された熱量に相当する。

具体的には、ＥＣＵ７は、以下の式（１）から温度差ΔＴを算出する。

式（１）に示すように、温度差ΔＴ（ΔＴ＝Ｔｃ２−Ｔ２）は、下流触媒発熱量と放熱量との差に相当する温度である。具体的には、下流触媒発熱量は、上流触媒２ですり抜けたＨＣによる下流触媒３の発熱量と、ＰＭによる下流触媒３の発熱量（ＰＭ発熱量）とを加算した熱量に相当する。この場合、上流触媒２ですり抜けたＨＣによる下流触媒３の発熱量は、式（１）に示すように、上流触媒すり抜けＨＣ量、ＨＣに対する下流触媒浄化率、劣化係数、及び換算係数から求められる。つまり、当該発熱量は、上流触媒すり抜けＨＣ量（下流触媒３へのＨＣ供給量）に対する下流触媒３のＨＣ反応量に基づいて求められる。なお、式（１）中の劣化係数は、下流触媒３の劣化度合いに相当する係数であり、下流触媒３の温度の履歴などから求められる。また、ＰＭ発熱量は、下流触媒３の温度、排気流量、ＰＭの堆積量などから求められる。更に、換算係数は、ＨＣ反応量から下流触媒３の発熱量を求めるために用いられ、単位ＨＣ量当たりの下流触媒３の発熱量に相当する係数（例えば、単位は「Ｊ／ｇ」で表される。）である。なお、ＥＣＵ７は、上記のように求められた下流触媒発熱量と放熱量との差（熱量に相当する）を温度に換算することで（例えば係数を乗算することで）、下流触媒３の温度Ｔｃ２と排気温センサ４によって検出された排気温Ｔ２との温度差ΔＴを求める。

次に、式（１）中の上流触媒すり抜けＨＣ量の求め方について、具体的に説明する。ＥＣＵ７は、上流触媒２へのＨＣ供給量に対する当該上流触媒２におけるＨＣ反応量の割合に基づいて、上流触媒すり抜けＨＣ量を推定する。具体的には、ＥＣＵ７は、以下の式（２）から上流触媒すり抜けＨＣ量を求める。

式（２）は、上流触媒２の入りガス温度Ｔ１、上流触媒２の温度Ｔｃ１、及び下流触媒３の目標温度から、ＨＣ供給量に対するＨＣ反応量の割合を演算することで、上流触媒すり抜けＨＣ量を求めることを示している。具体的には、式（２）中の「目標温度−Ｔ１」はＨＣ供給量に相当し、「Ｔｃ１−Ｔ１」はＨＣ反応量に相当する。したがって、式（２）中の「１−（Ｔｃ１−Ｔ１）／（目標温度−Ｔ１）」は、ＨＣ供給量に対する、上流触媒２で反応せずにすり抜けたＨＣ量（上流触媒すり抜けＨＣ量）の割合に相当する。更に、式（２）中の「上流触媒流入ＨＣ量」はＨＣ供給量に相当し、排気中に添加した燃料量から求めることができる。

なお、上流触媒２の入りガス温度Ｔ１は、例えば、排気温センサ又は運転状態によって規定されたマップなどから取得される。また、上流触媒２の温度Ｔｃ１は、例えば、上流触媒２と下流触媒３との間の排気温Ｔ２から推定される。この場合、排気温Ｔ２によって規定された上流触媒２の放熱量のマップを予め作成し、当該マップを参照することで上流触媒２の温度Ｔｃ１を得ることができる。

図２は、排気流量と上流触媒２の温度Ｔｃ１と排気温Ｔ２との関係の一例を示した図である。具体的には、横軸に排気流量を示し、縦軸に上流触媒２の温度Ｔｃ１を示している。ＥＣＵ７は、このような関係を考慮に入れて、排気流量及び排気温Ｔ２から、上流触媒２の温度Ｔｃ１を推定する。

次に、式（１）中の下流触媒浄化率の求め方について、具体的に説明する。ＥＣＵ７は、排気流量と排気温Ｔ２とによって規定されたマップを参照することで、下流触媒浄化率を求める。

図３は、下流触媒浄化率マップの一例を示している。下流触媒浄化率マップは、排気流量（横軸）と排気温Ｔ２（縦軸）とによって規定されている。図３に示すように、排気流量が大きくなるほどＨＣが反応しにくくなり（浄化率が低くなる）、排気流量が小さくなるほどＨＣが反応しやすくなる（浄化率が高くなる）。また、排気温Ｔ２が高くなるほどＨＣが反応しやすくなり（浄化率が高くなる）、排気温Ｔ２が低くなるほどＨＣが反応しにくくなる（浄化率が低くなる）。ＥＣＵ７は、排気流量及び排気温Ｔ２をセンサより取得し、下流触媒浄化率マップを参照することで、取得された排気流量及び排気温Ｔ２に対応する下流触媒浄化率を得る。なお、このようなマップは、予め測定又は解析することで作成される。

次に、式（１）中の放熱量の求め方について、具体的に説明する。ＥＣＵ７は、排気流量と排気温Ｔ２とによって規定されたマップを参照することで、放熱量を求める。

図４は、放熱量のマップ一例を示している。放熱量マップは、排気流量（横軸）と排気温Ｔ２（縦軸）とによって規定されている。図４に示すように、排気流量が大きくなるほど放熱しにくくなり（放熱量が小さくなる）、排気流量が小さくなるほど放熱しやすくなる（放熱量が大きくなる）。また、排気温Ｔ２が高くなるほど放熱しやすくなり（放熱量が大きくなる）、排気温Ｔ２が低くなるほど放熱しにくくなる（放熱量が小さくなる）。ＥＣＵ７は、排気流量及び排気温Ｔ２をセンサより取得し、放熱量マップを参照することで、取得された排気流量及び排気温Ｔ２に対応する放熱量を得る。なお、このようなマップは、予め測定又は解析することで作成される。

以上説明した下流触媒３の温度Ｔｃ２の推定方法によれば、１つの排気温センサ４のみを用いて、つまり上流触媒２と下流触媒３との間の排気温のみを取得することで、下流触媒３の温度Ｔｃ２を精度良く推定することができる。

本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図を示す。排気流量と上流触媒の温度と排気温との関係の一例を示す。下流触媒浄化率マップの一例を示す。放熱量マップの一例を示す。

符号の説明

１排気通路
２上流触媒（第１の触媒）
３下流触媒（第２の触媒）
４排気温センサ
７ＥＣＵ
１０内燃機関の排気浄化装置

Claims

排気通路上に設けられた第１の触媒と、前記排気通路上における前記第１の触媒の下流側に設けられた第２の触媒と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
前記第１の触媒からのすり抜けＨＣ量を推定するすり抜けＨＣ量推定手段と、
前記すり抜けＨＣ量に基づいてすり抜けＨＣによる前記第２の触媒の発熱を求め、当該発熱に基づいて前記第２の触媒の温度を推定する第２の触媒温度推定手段と、を備え、
前記すり抜けＨＣ量推定手段は、前記第１の触媒への入りガス温度及び前記第２の触媒の目標温度に基づいて前記第１の触媒及び前記第２の触媒へのＨＣ供給量を規定すると共に、前記入りガス温度及び前記第１の触媒の温度に基づいて前記第１の触媒におけるＨＣ反応量を規定し、前記ＨＣ供給量に対する前記ＨＣ反応量の割合を求め、前記割合に基づいて前記すり抜けＨＣ量を推定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記第１の触媒と前記第２の触媒との間を通過する排気ガスの温度を取得する排気ガス温度取得手段を更に備え、
前記第２の触媒温度推定手段は、前記すり抜けＨＣによる前記第２の触媒の発熱を含む前記第２の触媒の発熱量と放熱量との差に対応する温度を、前記排気ガス温度取得手段によって取得された排気ガスの温度に加算することによって、前記第２の触媒の温度を求める請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。