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JP2008069708A - Exhaust gas state estimation device - Google Patents

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JP2008069708A
JP2008069708A JP2006249306A JP2006249306A JP2008069708A JP 2008069708 A JP2008069708 A JP 2008069708A JP 2006249306 A JP2006249306 A JP 2006249306A JP 2006249306 A JP2006249306 A JP 2006249306A JP 2008069708 A JP2008069708 A JP 2008069708A
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catalyst
exhaust gas
nox
model
concentration
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Satoshi Kaneko
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Toyota Motor Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To estimate the state of the discharged NOx precisely. <P>SOLUTION: Inside an ECU (100) of an engine system (10), an emission estimation model (300) for estimating the state of the catalyst exhaust gas discharged from a three-way catalyst (223) of an engine (200) is configured. A catalyst model (310) in the emission estimation model (300) receives an input of an index value from a catalyst inflow model (320) and a catalyst degradation model (330), estimates the purification performance for each of substances to be cleaned according to a model formula wherein the coefficient is identified to approximate the purification rate of an actual substance to be cleaned beforehand, and outputs the emission value in the end. At this time, with respect to NOx, the influence of the oxygen concentration in the catalyst is considered, and instead of the model formula, a model formula wherein reduction reaction of NOx is set to start after the oxygen concentration in the catalyst is decreased to some extent is adopted. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、触媒を備えた内燃機関において当該触媒から排出される排出ガスの状態を推定する排出ガスの状態推定装置の技術分野に関する。   The present invention relates to a technical field of an exhaust gas state estimation device for estimating the state of exhaust gas discharged from a catalyst in an internal combustion engine provided with the catalyst.

この種の技術分野において、触媒反応に係る反応速度の解析手法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に開示された、流体中の所定成分の濃度変化予測方法及び反応速度解析法(以下、「従来の技術」と称する)によれば、排ガスの成分濃度が触媒との接触によって変化する反応モデルを設定し、当該反応モデルに基づいて、所定成分の濃度変化量を表す速度式及び所定成分の濃度変化を表す位置・濃度特性を求めることにより、所定成分の濃度変化が予測される。このため、触媒担体の長さや所定成分の初期濃度など条件を変化させたときの所定成分の濃度変化に与える影響を見積もることが可能であるとされている。   In this type of technical field, a method for analyzing a reaction rate related to a catalytic reaction has been proposed (see, for example, Patent Document 1). According to the method for predicting a change in concentration of a predetermined component in a fluid and a reaction rate analysis method (hereinafter referred to as “conventional technology”) disclosed in Patent Document 1, the component concentration of exhaust gas changes due to contact with a catalyst. A reaction model is set, and based on the reaction model, a speed equation representing the concentration change amount of the predetermined component and a position / concentration characteristic representing the concentration change of the predetermined component are obtained to predict the concentration change of the predetermined component. For this reason, it is said that it is possible to estimate the influence on the change in the concentration of the predetermined component when conditions such as the length of the catalyst carrier and the initial concentration of the predetermined component are changed.

特開2004−8908号公報JP 2004-8908 A

触媒において、NOx(Nitrogen Oxide:窒素酸化物)には還元反応が生じ、酸素が脱離するが、触媒内に酸素が共存する場合、酸素濃度が相対的に高い領域では、係る還元反応の進行が遅れ易い。ところが、従来の技術では、このような酸素濃度が還元反応に与える影響が考慮されていないため、触媒内の酸素濃度が高い場合には特に、NOxの濃度変化の予測精度が低下し易い。即ち、従来の技術には、内燃機関の運転条件によっては、特にNOxの濃度変化が十分に推定され難いという技術的な問題点がある。   In the catalyst, a reduction reaction occurs in NOx (Nitrogen Oxide) and oxygen is desorbed. When oxygen coexists in the catalyst, the reduction reaction proceeds in a region where the oxygen concentration is relatively high. Is easily delayed. However, in the conventional technique, since the influence of such oxygen concentration on the reduction reaction is not taken into consideration, the prediction accuracy of the NOx concentration change is likely to decrease particularly when the oxygen concentration in the catalyst is high. That is, the conventional technique has a technical problem that it is difficult to sufficiently estimate the NOx concentration change depending on the operating conditions of the internal combustion engine.

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであり、排出されるNOxの状態を高精度に推定し得る排出ガスの状態推定装置を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an exhaust gas state estimation device capable of estimating the state of exhausted NOx with high accuracy.

上述した課題を解決するため、本発明に係る排出ガスの状態推定装置は、触媒を備えた内燃機関において該触媒から排出される排出ガスの状態を推定する排出ガスの状態推定装置であって、前記触媒へ流入する流入ガスの状態を特定する特定手段と、予め前記触媒における浄化対象物質の各々の浄化特性を規定するものとして該各々について構築された、該各々の濃度に対応する項と、前記触媒における触媒反応に係る反応速度定数との積を含んでなる基準モデル式に従い、前記特定された流入ガスの状態に基づいて前記排出ガスの状態を推定する推定手段と、前記浄化対象物質が窒素酸化物である場合に、酸素濃度が減少するのに応じて前記窒素酸化物の浄化率が上昇するように前記基準モデル式を補正する第1の補正手段とを具備することを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, an exhaust gas state estimation device according to the present invention is an exhaust gas state estimation device that estimates the state of exhaust gas discharged from a catalyst in an internal combustion engine equipped with a catalyst, A means for specifying the state of the inflowing gas flowing into the catalyst, and a term corresponding to each concentration, each of which is constructed in advance as prescribing the purification characteristics of each of the purification target substances in the catalyst; In accordance with a reference model equation including a product of a reaction rate constant related to a catalytic reaction in the catalyst, an estimation means for estimating the state of the exhaust gas based on the state of the specified inflow gas, and the purification target substance A first correction unit that corrects the reference model equation so that the purification rate of the nitrogen oxide increases as the oxygen concentration decreases in the case of the nitrogen oxide. It is characterized by.

本発明に係る「内燃機関」とは、例えば複数の気筒を有し、当該複数の気筒の各々における燃焼室において燃料が燃焼した際に発生する爆発力を、例えばピストン及びコネクティングロッド等の機械的な伝達経路を経て、例えばクランク軸等の入出力軸を介して動力として取り出すことが可能な機関を包括する概念であり、例えば2サイクル或いは4サイクルレシプロエンジン等を指す。   The “internal combustion engine” according to the present invention has, for example, a plurality of cylinders, and an explosive force generated when fuel is burned in a combustion chamber in each of the plurality of cylinders, for example, a mechanical force such as a piston and a connecting rod. This is a concept that encompasses an engine that can be extracted as power via an input / output shaft such as a crankshaft through a simple transmission path, and refers to, for example, a 2-cycle or 4-cycle reciprocating engine.

本発明に係る排出ガスの状態推定装置によれば、その動作時には、例えばECU(Electronic Control Unit:電子制御ユニット)等の各種処理ユニット、各種コントローラ或いはマイコン装置等各種コンピュータシステム等として構成される特定手段により、触媒へ流入する流入ガスの状態が特定される。   According to the exhaust gas state estimation device of the present invention, during its operation, for example, a specification configured as various processing units such as an ECU (Electronic Control Unit), various controllers or various computer systems such as a microcomputer device, etc. The state of the inflow gas flowing into the catalyst is specified by the means.

ここで、「流入ガスの状態」とは、後述する排出ガスの状態の推定に供し得る指標値により定量的に表された状態を包括する概念であり、例えば、流入ガスにおける浄化対象物質の成分、成分比率、成分濃度及び成分量等の少なくとも一部、並びに流入ガスの流量及び温度等を含む趣旨である。   Here, the “inflow gas state” is a concept including a state quantitatively represented by an index value that can be used for estimation of an exhaust gas state, which will be described later. In other words, it includes at least part of the component ratio, component concentration, component amount, etc., and the flow rate and temperature of the inflowing gas.

尚、本発明における「特定」とは、例えば、何らかの検出手段を介して直接的に又は間接的に物理的数値又は物理的数値に対応する電気信号等として検出すること、何らかの検出手段を介して直接的に又は間接的に例えば電気信号等の形で検出された、特定対象と対応関係を有する物理的数値に基づいて予め然るべき記憶手段等に記憶されたマップ等から該当する数値を選択すること、このような物理的数値又は選択された数値等から、予め設定されたアルゴリズムや計算式に従って導出すること、或いはこのように検出、選択又は導出された数値等を、例えば電気信号等の形で単に取得すること等を包括する広い概念である。   Note that “specific” in the present invention refers to, for example, detecting directly or indirectly as a physical numerical value or an electrical signal corresponding to the physical numerical value via some detection means, or via any detection means. Select the appropriate numerical value from a map or the like stored in advance in a suitable storage means based on a physical numerical value that is directly or indirectly detected, for example, in the form of an electrical signal or the like and has a corresponding relationship with the specific object. Deriving from such a physical numerical value or a selected numerical value according to a preset algorithm or calculation formula, or the numerical value detected, selected or derived in this way, for example, in the form of an electrical signal or the like It is a broad concept encompassing simply acquiring.

例えば特定手段は、例えば内燃機関の機関回転数、負荷率、空燃比、点火時期及びバルブタイミング等、上述した流入ガスの状態との直接的又は間接的な対応関係が例えば予め実験的に、経験的に、理論的に或いはシミュレーション等に基づいて実践上不利益が顕在化しない程度の信頼性を伴って確定されている内燃機関の運転状態を規定する各種指標値に基づいて、例えば予め設定されたアルゴリズムや計算式等に従って流入ガスの状態を然るべき指標値として算出すること、或いは当該各種指標値に基づいて然るべき値をマップ等から選択すること等により流入ガスの状態を特定する。   For example, the specifying means has a direct or indirect correspondence relationship with the above-described inflow gas state such as the engine speed, load factor, air-fuel ratio, ignition timing, and valve timing of the internal combustion engine, for example, experimentally in advance. In particular, it is set in advance, for example, based on various index values that define the operating state of the internal combustion engine, which is determined with reliability to the extent that no practical disadvantage is manifested theoretically or based on simulation or the like. The state of the inflowing gas is specified by calculating the state of the inflowing gas as an appropriate index value according to the algorithm or the calculation formula, or by selecting an appropriate value from a map or the like based on the various index values.

このように特定手段により流入ガスの状態が特定されると、例えばECU等の各種処理ユニット、各種コントローラ或いはマイコン装置等各種コンピュータシステム等として構成される推定手段により、予め構築された基準モデル式に従い、特定手段によって特定された流入ガスの状態に基づいて、排出ガスの状態が推定される。   When the state of the inflowing gas is specified by the specifying means as described above, the estimation means configured as various processing units such as an ECU, various controllers or various computer systems such as a microcomputer device, etc., according to a reference model formula constructed in advance. The state of the exhaust gas is estimated based on the state of the inflowing gas specified by the specifying means.

ここで、「基準モデル式」とは、予め触媒における浄化対象物質の各々の浄化特性を規定すべく、当該各々について構築された式であり、浄化対象物質の濃度に対応する項と、触媒における触媒反応に係る反応速度定数との積を含む式である。この基準モデル式は、推定された流入ガスの状態の関数であり、推定手段は、この基準モデル式に例えば特定された流入ガスの状態(即ち、形態としては各種指標値)を代入して得られる、例えば、浄化対象物質各々についての浄化率、浄化量或いは浄化速度(触媒反応の反応速度)等に基づいて、排出ガスの状態を推定する。   Here, the “reference model equation” is an equation constructed for each of the purification target substances in the catalyst in advance in order to prescribe the purification characteristics of each of the purification target substances. It is a formula including the product with the reaction rate constant concerning a catalytic reaction. This reference model equation is a function of the estimated inflow gas state, and the estimation means is obtained by substituting, for example, the specified inflow gas state (that is, various index values as forms) into this reference model equation. For example, the state of the exhaust gas is estimated based on the purification rate, the purification amount, or the purification rate (reaction rate of the catalytic reaction) for each of the substances to be purified.

ここで、「排出ガスの状態」とは、内燃機関におけるエミッションの種類や量を含む概念としてのエミッション特性の評価に供し得る指標値によって表された状態を包括する概念であり、例えば上述した流入ガスに係る状態と、意味合いとして少なくとも一部が同等であってもよく、例えば、排出ガスにおける浄化対象物質の成分、成分比率、成分量及び成分濃度、並びに排出ガスの温度等を含む趣旨である。   Here, the “exhaust gas state” is a concept including a state represented by an index value that can be used for evaluation of emission characteristics as a concept including the type and amount of emission in an internal combustion engine. The state relating to the gas may be at least partially equivalent in terms of meaning, and includes, for example, the components of the substance to be purified in the exhaust gas, the component ratio, the component amount and the component concentration, the temperature of the exhaust gas, etc. .

尚、「反応速度定数」とは、例えば予め実験的に、経験的に、理論的に或いはシミュレーション等に基づいて、実際の触媒における浄化特性を近似的に或いは代替的に表し得るように例えば各種係数又は特性項の値等が決定(同定)されてなる定数であり、浄化対象物質の濃度に乗じられることに鑑みれば、実質的には浄化対象物質の浄化特性(例えば浄化量、浄化率若しくは浄化速度又は触媒における反応速度等)を決定付ける定数である。   The “reaction rate constant” is, for example, various experimentally, experimentally, empirically, theoretically, or based on simulations so that the purification characteristics of the actual catalyst can be expressed approximately or alternatively. In consideration of the fact that the coefficient or the value of the characteristic term is determined (identified) and multiplied by the concentration of the purification target substance, the purification characteristic of the purification target substance (for example, the purification amount, the purification rate or the It is a constant that determines the purification rate or the reaction rate in the catalyst.

尚、「浄化対象物質の濃度に対応する項」とは、当該濃度を含み、且つ基準モデル式を実際の触媒における浄化特性に近似させ得る或いは代替させ得る項を包括する概念であり、当該濃度のみに限定されず、例えば、当該濃度のべき乗項等であってもよい趣旨である。   The “term corresponding to the concentration of the substance to be purified” is a concept that includes the concentration and includes a term that can approximate or substitute the reference model equation for the purification characteristics in the actual catalyst. For example, the power term of the concentration may be used.

ここで特に、浄化対象物質がNO(Nitric Oxide:一酸化窒素)等を含む窒素酸化物(以下、NOx)である場合、触媒内の酸素濃度が相対的に高い領域では、酸素の脱離が阻害され、還元反応の進行が遅れ易い。従って、上述した基準モデル式によってNOxの浄化特性を表そうとした場合、触媒内の酸素濃度が相対的に高くなり易い、例えば内燃機関の高負荷領域(高流量域)等において、排出ガスの状態に係る推定精度が低下し易い。   Here, in particular, when the substance to be purified is nitrogen oxide (hereinafter referred to as NOx) containing NO (Nitric Oxide) or the like, the desorption of oxygen occurs in a region where the oxygen concentration in the catalyst is relatively high. It is obstructed and the progress of the reduction reaction tends to be delayed. Therefore, when trying to express the NOx purification characteristics by the above-mentioned reference model equation, the oxygen concentration in the catalyst tends to be relatively high, for example, in a high load region (high flow rate region) of the internal combustion engine, etc. The estimation accuracy related to the state is likely to decrease.

そこで、本発明に係る排出ガスの状態推定装置では、例えばECU等の各種処理ユニット、各種コントローラ或いはマイコン装置等各種コンピュータシステム等として構成される第1の補正手段の作用により、浄化対象物がNOxである場合に基準モデル式が補正される。より具体的には、第1の補正手段は、酸素濃度が減少するのに応じてNOxの浄化率が上昇するように基準モデル式を補正する。   Therefore, in the exhaust gas state estimation device according to the present invention, the purification target is made to be NOx by the action of the first correction means configured as various processing units such as an ECU, various controllers or various computer systems such as a microcomputer device. If so, the reference model formula is corrected. More specifically, the first correction unit corrects the reference model equation so that the NOx purification rate increases as the oxygen concentration decreases.

尚、「浄化率が上昇するように」とは、浄化率が上昇することが判明している、或いは浄化率が上昇すると推定される限りにおいて、基準モデル式自体がNOxの浄化率を直接規定する式であるか否かとは無関係であってよい趣旨である。また、第1の補正手段に係る補正の態様は、NOxの浄化率を酸素濃度の減少に応じて上昇せしめ、基準モデル式により規定されるNOxの浄化特性を、何らこの種の補正がなされない場合と比較して幾らかなりとも実際のNOxの浄化特性に近似させ得る得る限りにおいて限定されない趣旨である。例えば基準モデル式に対し、何らかの補正項を加算、減算、乗算又は除算すること等により係る補正がなされてもよい。また、「酸素濃度が減少するのに応じて」とは、必ずしも酸素濃度の変化が浄化率の変化と一対一に対応しておらずともよい趣旨であり、浄化率の変化と酸素濃度の変化とは、相互に一対多の関係であってもよい。   Note that “so that the purification rate is increased” means that the reference model formula itself directly defines the NOx purification rate as long as it is known that the purification rate increases or the purification rate is estimated to increase. This is to say that it may be irrelevant to whether or not the expression is. Further, the correction mode according to the first correction means increases the NOx purification rate in accordance with the decrease in oxygen concentration, and this type of correction is not performed for the NOx purification characteristic defined by the reference model equation. The purpose is not limited as long as it can be approximated to the actual NOx purification characteristics considerably more than the case. For example, such correction may be made by adding, subtracting, multiplying, or dividing some correction term to the reference model formula. Further, “in response to a decrease in the oxygen concentration” means that the change in the oxygen concentration does not necessarily correspond to the change in the purification rate on a one-to-one basis. May be in a one-to-many relationship with each other.

本発明に係る排出ガスの状態推定装置の一の態様では、前記触媒に付与される熱負荷に基づいて前記基準モデル式を補正する第2の補正手段を更に具備する。   In one aspect of the exhaust gas state estimating apparatus according to the present invention, the exhaust gas state estimating apparatus further includes second correction means for correcting the reference model equation based on a thermal load applied to the catalyst.

この態様によれば、例えばECU等の各種処理ユニット、各種コントローラ或いはマイコン装置等各種コンピュータシステム等として構成される第2の補正手段の作用により、基準モデル式が、触媒に付与される熱負荷に基づいて補正される。   According to this aspect, for example, the reference model formula is applied to the heat load applied to the catalyst by the action of the second correction unit configured as various processing units such as an ECU, various controllers or various computer systems such as a microcomputer device. Based on the correction.

ここで、触媒に付与される熱負荷とは、好適には触媒内に流入する流入ガスの温度、触媒の温度、流入ガスの流量、流入ガスにおける酸素濃度、或いは空燃比等の関数であり、第2の補正手段は、例えば、これらを表す指標値(好適には、特定手段により特定される、流入ガスの状態の一部である)に応じて可変な補正係数、補正式或いは補正関数を、予め然るべき記憶手段に記憶されたマップから選択する、或いは予め設定されたアルゴリズムや算出式に従って算出又は導出すること等を介して取得し、基準モデル式を補正する。   Here, the heat load applied to the catalyst is preferably a function of the temperature of the inflowing gas flowing into the catalyst, the temperature of the catalyst, the flow rate of the inflowing gas, the oxygen concentration in the inflowing gas, or the air-fuel ratio, For example, the second correction unit may include a correction coefficient, a correction equation, or a correction function that is variable according to an index value representing these (preferably a part of the state of the inflowing gas specified by the specifying unit). The reference model formula is corrected by selecting from a map stored in the appropriate storage means in advance, or by obtaining or calculating in accordance with a preset algorithm or calculation formula.

触媒における浄化対象物質の浄化特性は、触媒に付与される熱負荷に応じて相応に劣化するが、この態様によれば、熱負荷に応じて、基準モデル式、即ち触媒における浄化特性が補正されるため、最終的に推定手段によって推定される排出ガスの状態が、係る熱負荷を考慮したものとなり、一層正確に排出ガスの状態を推定することが可能となる。   The purification characteristics of the purification target substance in the catalyst are correspondingly deteriorated according to the thermal load applied to the catalyst. According to this aspect, the reference model equation, that is, the purification characteristic in the catalyst is corrected according to the thermal load. Therefore, the state of the exhaust gas finally estimated by the estimation means takes into account the thermal load, and it becomes possible to estimate the state of the exhaust gas more accurately.

本発明に係る排出ガスの状態推定装置の他の態様では、前記反応速度定数は、前記触媒中の活性点の数を表す頻度因子に対応する項と、前記触媒反応が生じる際のエネルギを表す活性化エネルギに対応する項とを含む。   In another aspect of the exhaust gas state estimating apparatus according to the present invention, the reaction rate constant represents a term corresponding to a frequency factor representing the number of active sites in the catalyst and energy when the catalytic reaction occurs. And a term corresponding to the activation energy.

この態様によれば、基準モデル式を構成する反応速度定数に、活性点の数を表す頻度因子及び触媒反応が生じる際に必要となるエネルギを表す活性化エネルギの項が含まれるため、触媒における浄化対象物質の浄化特性を、実際の浄化特性により近付けることが可能となり、高精度に排出ガスの状態を推定することが可能となる。   According to this aspect, the reaction rate constant constituting the reference model equation includes the frequency factor representing the number of active points and the activation energy term representing the energy required when the catalytic reaction occurs. The purification characteristics of the substance to be purified can be brought closer to the actual purification characteristics, and the state of the exhaust gas can be estimated with high accuracy.

尚、この態様によれば、前述した第2の補正手段に係る補正に際し、熱負荷に応じて頻度因子及び活性化エネルギ各々の項を補正すること等により、触媒の劣化が好適に近似され得る。   According to this aspect, the deterioration of the catalyst can be suitably approximated by correcting the terms of the frequency factor and the activation energy according to the thermal load in the correction according to the second correction unit described above. .

本発明に係る排出ガスの状態推定装置の他の態様では、前記基準モデル式は、前記積と前記浄化対象物質に対応する還元剤の濃度との積を、該還元剤の種類毎に加算してなる加算項を含む。   In another aspect of the exhaust gas state estimating apparatus according to the present invention, the reference model equation adds the product of the product and the concentration of the reducing agent corresponding to the substance to be purified for each type of the reducing agent. Is included.

この態様によれば、基準モデル式が、前述した反応速度定数と浄化対象物質の濃度との積に更に還元剤(例えば、浄化対象物質がNOxであればCO(一酸化炭素)やHC(炭化水素)等)の濃度を乗じた項を、還元剤の種類毎に加算してなる加算項を含む。即ち、この態様においては、基準モデル式により、浄化対象物質の濃度のみならず還元剤の影響をも考慮した上での浄化対象物質の浄化特性が規定される。従って、より精細に排出ガスの状態を推定することが可能となる。   According to this aspect, the reference model equation further includes a reducing agent (for example, CO (carbon monoxide) or HC (carbonization if the purification target substance is NOx) in addition to the product of the reaction rate constant and the concentration of the purification target substance. The addition term formed by adding the term multiplied by the concentration of hydrogen) etc. for each type of the reducing agent is included. That is, in this aspect, the reference model equation defines the purification characteristics of the purification target substance in consideration of not only the concentration of the purification target substance but also the influence of the reducing agent. Therefore, it becomes possible to estimate the state of the exhaust gas more precisely.

尚、還元剤の影響が考慮される場合、上述した加算項を構成する、浄化対象物質の濃度に対応する項と還元剤の濃度に対応する項と反応速度定数との積の各々について、例えば反応速度定数に係る係数や特性項(即ち、例えば、上述した頻度因子や活性化エネルギ或いは更に抑制項等)の同定が必要となり、同定に係る時間的負荷が高くなり易い。従って、還元剤の影響を考慮するか否かは、例えば、車両の仕様、仕向け、内燃機関の要求性能等に応じて、その都度個別具体的に決定されてよい。   When the influence of the reducing agent is taken into account, for each of the products of the term corresponding to the concentration of the substance to be purified and the term corresponding to the concentration of the reducing agent and the reaction rate constant, which constitute the addition term described above, for example, It is necessary to identify coefficients and characteristic terms related to the reaction rate constant (that is, for example, the above-described frequency factor, activation energy, or further suppression term), and the time load related to identification tends to increase. Therefore, whether or not the influence of the reducing agent is taken into account may be determined individually and concretely each time, for example, in accordance with vehicle specifications, destinations, required performance of the internal combustion engine, and the like.

本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施形態から明らかにされる。   Such an operation and other advantages of the present invention will become apparent from the embodiments described below.

<発明の実施形態>
以下、図面を参照して、本発明の好適な各種実施形態について説明する。
<Embodiment of the Invention>
Various preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

<1:第1実施形態>
<1−1:実施形態の構成>
<1−1−1:エンジンシステムの構成>
始めに、図1を参照して、本発明の第1実施形態に係るエンジンシステム10の構成について説明する。ここに、図1は、エンジンシステム10の模式図である。
<1: First Embodiment>
<1-1: Configuration of Embodiment>
<1-1-1: Configuration of engine system>
First, the configuration of the engine system 10 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram of the engine system 10.

図1において、エンジンシステム10は、ECU100及びエンジン200を備える。   In FIG. 1, the engine system 10 includes an ECU 100 and an engine 200.

ECU100は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)等を備え、エンジンシステム10の動作全体を制御する電子制御ユニットである。また、ECU100内部には、エンジン200のエミッション状態(即ち、本発明に係る「排出ガスの状態」の一例)を推定するための、後述するエミッション推定モデル300が構築されており、本実施形態において、ECU100は、本発明に係る「排出ガスの状態推定装置」の一例としても機能するように構成されている。   The ECU 100 is an electronic control unit that includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like, and controls the entire operation of the engine system 10. In addition, an emission estimation model 300 (described later) for estimating the emission state of the engine 200 (that is, an example of the “exhaust gas state” according to the present invention) is built in the ECU 100. The ECU 100 is also configured to function as an example of the “exhaust gas state estimation device” according to the present invention.

エンジン200は、本発明に係る「内燃機関」の一例である。エンジン200は、気筒201内にその一部たる点火プラグの一部が露出してなる点火装置202の点火動作により混合気を爆発させると共に、爆発力に応じて生じるピストン203の往復運動を、コネクションロッド204を介してクランクシャフト205の回転運動に変換することが可能に構成されている。また、クランクシャフト205近傍には、クランクシャフト205の回転位置(即ち、クランク角)を検出するクランクポジションセンサ206が設置されている。クランクポジションセンサ206は、ECU100と電気的に接続されており、ECU100は、クランクポジションセンサ206によって検出されたクランク角に基づいて、点火装置202の点火時期等を制御することが可能に構成されている。また、ECU100は、クランクシャフト205の回転位置に基づいてエンジン200の機関回転数Neを算出することが可能に構成されている。以下に、エンジン200の要部構成を、その動作の一部と共に説明する。   The engine 200 is an example of the “internal combustion engine” according to the present invention. The engine 200 causes the air-fuel mixture to explode by an ignition operation of an ignition device 202 in which a part of a spark plug that is a part of the cylinder 201 is exposed, and the reciprocating motion of the piston 203 generated according to the explosive force is connected. It can be converted into a rotational motion of the crankshaft 205 via the rod 204. A crank position sensor 206 that detects the rotational position (ie, crank angle) of the crankshaft 205 is installed in the vicinity of the crankshaft 205. The crank position sensor 206 is electrically connected to the ECU 100, and the ECU 100 is configured to be able to control the ignition timing and the like of the ignition device 202 based on the crank angle detected by the crank position sensor 206. Yes. Further, the ECU 100 is configured to be able to calculate the engine speed Ne of the engine 200 based on the rotational position of the crankshaft 205. Below, the principal part structure of the engine 200 is demonstrated with a part of the operation | movement.

気筒201内における燃料の燃焼に際し、外部から吸入された空気は吸気管207を通過し、吸気ポート213において、インジェクタ214から噴射された燃料と混合されて前述の混合気となる。燃料は、燃料タンク215に貯留されており、低圧ポンプ217の作用により、デリバリパイプ216を介してインジェクタ214に圧送供給されている。インジェクタ214は、ECU100と電気的に接続されており、この供給される燃料を、ECU100の制御に従って吸気ポート213に噴射することが可能に構成されている。   At the time of fuel combustion in the cylinder 201, the air sucked from the outside passes through the intake pipe 207 and is mixed with the fuel injected from the injector 214 at the intake port 213 to become the above-mentioned air-fuel mixture. The fuel is stored in the fuel tank 215 and is pumped and supplied to the injector 214 via the delivery pipe 216 by the action of the low pressure pump 217. The injector 214 is electrically connected to the ECU 100, and is configured to be able to inject the supplied fuel into the intake port 213 according to the control of the ECU 100.

気筒201内部と吸気管207とは、吸気バルブ218の開閉によって連通状態が制御されている。気筒201内部で燃焼した混合気は排気となり吸気バルブ218の開閉に連動して開閉する排気バルブ219の開弁時に排気ポート220を介して排気管221に導かれる。   The communication state between the inside of the cylinder 201 and the intake pipe 207 is controlled by opening and closing the intake valve 218. The air-fuel mixture combusted inside the cylinder 201 becomes exhaust and is led to the exhaust pipe 221 via the exhaust port 220 when the exhaust valve 219 that opens and closes in conjunction with the opening and closing of the intake valve 218 is opened.

吸気管207上には、クリーナ208が配設されており、外部から吸入される空気が浄化される構成となっている。また、クリーナ208の下流側(気筒側)には更に、エアフローメータ209が配設されている。エアフローメータ209は、ホットワイヤー式と称される形態を有しており、吸入された空気の質量流量を直接検出することが可能に構成されている。尚、エアフローメータ209は、ECU100と電気的に接続されており、検出された吸入空気の質量流量は、ECU100によって絶えず把握される構成となっている。   A cleaner 208 is disposed on the intake pipe 207 to purify air sucked from the outside. An air flow meter 209 is further disposed on the downstream side (cylinder side) of the cleaner 208. The air flow meter 209 has a form called a hot wire type, and is configured to be able to directly detect the mass flow rate of the sucked air. The air flow meter 209 is electrically connected to the ECU 100, and the detected mass flow rate of the intake air is constantly grasped by the ECU 100.

吸気管207におけるエアフローメータ209の下流側には、気筒201内部へ吸入される空気に係る吸入空気量を調節するスロットルバルブ210が配設されている。このスロットルバルブ210には、スロットルポジションセンサ212が電気的に接続されており、その開度であるスロットル開度を検出することが可能に構成されている。   A throttle valve 210 that adjusts the amount of intake air related to the air sucked into the cylinder 201 is disposed downstream of the air flow meter 209 in the intake pipe 207. A throttle position sensor 212 is electrically connected to the throttle valve 210, and is configured to be able to detect the throttle opening that is the opening.

スロットバルブモータ211は、ECU100と電気的に接続され、スロットルバルブ210を駆動することが可能に構成されたモータである。ECU100は、不図示のアクセルポジションセンサによって検出されるアクセル開度に基づいてスロットルバルブモータ211の駆動状態を制御することが可能に構成されており、これによりスロットルバルブ210の開閉状態(即ち、スロットル開度)が制御される構成となっている。   The slot valve motor 211 is a motor that is electrically connected to the ECU 100 and configured to drive the throttle valve 210. The ECU 100 is configured to be able to control the driving state of the throttle valve motor 211 based on an accelerator opening detected by an unillustrated accelerator position sensor, whereby the opening / closing state of the throttle valve 210 (that is, the throttle valve) Opening degree) is controlled.

尚、スロットルバルブ210は、上述したように一種の電子制御式スロットルバルブであり、スロットル開度は、ECU100により運転者の意思(即ち、アクセル開度)とは無関係に制御され得る。   The throttle valve 210 is a kind of electronically controlled throttle valve as described above, and the throttle opening degree can be controlled by the ECU 100 regardless of the driver's intention (that is, the accelerator opening degree).

排気管221には、三元触媒223が設置されている。三元触媒223は、エンジン200から排出される排出ガス中のCO及びHCを酸化し、且つNOxを還元することにより夫々浄化することが可能に構成された触媒であり、本発明に係る「触媒」の一例である。   A three-way catalyst 223 is installed in the exhaust pipe 221. The three-way catalyst 223 is a catalyst that can be purified by oxidizing CO and HC in exhaust gas discharged from the engine 200 and reducing NOx, respectively. Is an example.

排気管221における三元触媒223の上流側には、空燃比センサ222が配設されている。空燃比センサ222は、排気ポート220を介して排出される排出ガスからエンジン200の空燃比を検出することが可能に構成されている。空燃比センサ222は、ECU100と電気的に接続されており、検出された空燃比は、絶えずECU100によって把握される構成となっている。   An air-fuel ratio sensor 222 is disposed upstream of the three-way catalyst 223 in the exhaust pipe 221. The air-fuel ratio sensor 222 is configured to be able to detect the air-fuel ratio of the engine 200 from the exhaust gas discharged through the exhaust port 220. The air-fuel ratio sensor 222 is electrically connected to the ECU 100, and the detected air-fuel ratio is constantly grasped by the ECU 100.

また、気筒201を収容するシリンダブロックに設置されたウォータージャケットには、エンジン200を冷却するための冷却水の温度を検出するための温度センサ224が配設されている。温度センサ224は、ECU100と電気的に接続されており、検出された冷却水の温度は、ECU100によって絶えず把握される構成となっている。   In addition, a temperature sensor 224 for detecting the temperature of the cooling water for cooling the engine 200 is disposed in the water jacket installed in the cylinder block that houses the cylinder 201. The temperature sensor 224 is electrically connected to the ECU 100, and the detected temperature of the cooling water is constantly grasped by the ECU 100.

<1−1−2:エミッション推定モデルの構成>
次に、図2を参照し、ECU100内部に構築されたエミッション推定モデル300の構成について説明する。ここに、図2は、エミッション推定モデル300の構成を概念的に表してなる模式図である。
<1-1-2: Configuration of Emission Estimation Model>
Next, the configuration of the emission estimation model 300 built in the ECU 100 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram conceptually showing the configuration of the emission estimation model 300.

図2において、エミッション推定モデル300は、触媒モデル310、触媒流入ガスモデル320及び触媒劣化モデル330を含んで構成される。   In FIG. 2, the emission estimation model 300 includes a catalyst model 310, a catalyst inflow gas model 320, and a catalyst deterioration model 330.

触媒モデル310は、三元触媒223から排出される触媒排出ガスのエミッション状態(例えば、触媒排出ガスの成分、成分比率、成分濃度又は成分量等)を表すエミッション値を推定結果として出力することが可能に構成されたモデルである。触媒モデル310は、実機の触媒(例えば三元触媒223或いはそれと同等な構成を有する触媒等)で生じる触媒反応をモデル化したものであり、本発明に係る「推定手段」、「第1の補正手段」及び「第2の補正手段」の一例として機能するように構成されている。   The catalyst model 310 may output an emission value representing the emission state of the catalyst exhaust gas discharged from the three-way catalyst 223 (for example, the component, component ratio, component concentration, or component amount of the catalyst exhaust gas) as an estimation result. It is a model that can be configured. The catalyst model 310 is a model of a catalytic reaction that occurs in an actual catalyst (for example, a three-way catalyst 223 or a catalyst having a configuration equivalent thereto). The “estimating means” and “first correction” according to the present invention are modeled. Means "and" second correction means "are configured to function as examples.

触媒流入ガスモデル320は、エンジン200における機関回転数Ne、負荷率KL、空燃比A/F、点火時期SA及びバルブタイミングVT等の指標値(図示「エンジン状態指標値」に相当)を入力値として受け取り、予め設定されたアルゴリズム及び算出式に従って三元触媒223に流入する触媒流入ガスの状態(例えば、触媒流入ガスの成分、成分比率、成分濃度又は成分量、触媒流入ガスの温度及び流量等)を表す指標値を算出することが可能に構成されている。触媒流入ガスモデル320は、触媒モデル310と電気的に接続されており、算出された触媒流入ガスの状態を表す指標値は、触媒モデル310に入力される。触媒流入ガスモデル320は、本発明に係る「特定手段」の一例である。   The catalyst inflow gas model 320 is input with index values (corresponding to “engine condition index value” in the figure) such as the engine speed Ne, the load factor KL, the air-fuel ratio A / F, the ignition timing SA, and the valve timing VT in the engine 200. The state of the catalyst inflow gas flowing into the three-way catalyst 223 in accordance with a preset algorithm and calculation formula (for example, the catalyst inflow gas component, component ratio, component concentration or component amount, catalyst inflow gas temperature and flow rate, etc. ) Can be calculated. The catalyst inflow gas model 320 is electrically connected to the catalyst model 310, and the calculated index value indicating the state of the catalyst inflow gas is input to the catalyst model 310. The catalyst inflow gas model 320 is an example of the “specifying means” according to the present invention.

触媒劣化モデル330は、触媒モデル310と電気的に接続され、熱負荷によって生じる、三元触媒223における浄化特性の劣化をモデル化したものである。触媒劣化モデル330は、触媒モデル310から触媒温度及び酸素濃度等を含む熱負荷指標値を入力として受け取り、受け取った熱負荷指標値に基づいて、熱負荷に応じた補正値を算出して触媒モデル310に出力することが可能に構成されている。尚、触媒劣化モデル330は、触媒モデル310と共に本発明に係る「第2の補正手段」の一例をなしている。   The catalyst deterioration model 330 is electrically connected to the catalyst model 310 and models the deterioration of the purification characteristics in the three-way catalyst 223 caused by a heat load. The catalyst deterioration model 330 receives a thermal load index value including the catalyst temperature and oxygen concentration from the catalyst model 310 as an input, calculates a correction value according to the thermal load based on the received thermal load index value, and generates a catalyst model. It is configured to be able to output to 310. The catalyst deterioration model 330 is an example of the “second correction unit” according to the present invention together with the catalyst model 310.

<1−2:実施形態の動作>
以下、本実施形態の動作として、上記エミッション推定モデル300の動作について説明する。尚、三元触媒223では、主としてNOxの還元反応(NOxからの酸素の脱離反応)、COの酸化反応、及びHCの酸化反応等の各種触媒反応が発生するが、以下の説明では、NOxの還元反応を例に挙げて説明することとする。
<1-2: Operation of Embodiment>
Hereinafter, the operation of the emission estimation model 300 will be described as the operation of the present embodiment. The three-way catalyst 223 mainly undergoes various catalytic reactions such as NOx reduction reaction (desorption reaction of oxygen from NOx), CO oxidation reaction, and HC oxidation reaction. This reduction reaction will be described as an example.

<1−2−1:エミッション状態推定の基本動作>
触媒モデル310では、基本的に下記(1)式(本発明に係る「基準モデル式」の一例)により、浄化対象物質の各々について三元触媒223における浄化率が規定されている。尚、(1)式における[NOx]とは、浄化対象物質の一つたるNOxの濃度を表し、初期値となる値が触媒流入ガスモデル320より、前述した触媒流入ガスの状態を規定する指標値の一部として取得されている。また、kは基本的に「1」に設定され、浄化率の同定の過程で適宜調整される、べき乗指数である。
<1-2-1: Basic operation of emission state estimation>
In the catalyst model 310, basically, the purification rate in the three-way catalyst 223 is defined for each of the substances to be purified by the following formula (1) (an example of the “reference model formula” according to the present invention). In addition, [NOx] in the equation (1) represents the concentration of NOx as one of the purification target substances, and an initial value is an index that defines the state of the catalyst inflow gas described above from the catalyst inflow gas model 320. Obtained as part of the value. Further, k is a power exponent that is basically set to “1” and is appropriately adjusted in the process of identifying the purification rate.

d[NOx]/dt=K・[NOx]^k・・・(1)
ここで、上記(1)式におけるKは反応速度定数であり、下記(2)式により規定される。
d [NOx] / dt = K · [NOx] ^ k (1)
Here, K in the above equation (1) is a reaction rate constant, and is defined by the following equation (2).

K=A/G・exp(―E/RT)・・・(2)
ここで、Aは頻度因子、Gは抑制項、Eは活性化エネルギを表す。また、Rは公知の気体定数であり、Tは触媒流入ガスの絶対温度である。ここで、頻度因子Aは、三元触媒223における活性点の数を表すパラメータであり、値が大きい程、活性点の数が増えることを表す。従って、頻度因子Aの値が大きい程、三元触媒223における触媒反応が促進されている状態が表される。
K = A / G · exp (-E / RT) (2)
Here, A represents a frequency factor, G represents a suppression term, and E represents activation energy. R is a known gas constant, and T is the absolute temperature of the catalyst inflow gas. Here, the frequency factor A is a parameter indicating the number of active points in the three-way catalyst 223, and indicates that the larger the value, the more the number of active points. Therefore, the larger the value of the frequency factor A, the more the catalytic reaction in the three-way catalyst 223 is promoted.

また、活性化エネルギEは、触媒反応が生じる際に必要となるエネルギを表しており、小さい程、触媒反応が生じ易い状態を表す。即ち、活性化エネルギEが小さい程、反応速度定数Kの値は大きくなる。また、抑制項Gは、触媒反応を抑制する要因を表し、大きい程触媒反応が抑制された状態を表す。即ち反応速度定数Kの値が小さくなる。   The activation energy E represents the energy required when the catalytic reaction occurs, and the smaller the activation energy E, the easier the catalytic reaction occurs. That is, the smaller the activation energy E, the larger the value of the reaction rate constant K. Further, the suppression term G represents a factor that suppresses the catalytic reaction, and the larger the value, the more the catalytic reaction is suppressed. That is, the value of the reaction rate constant K becomes small.

上記(1)式に従って、三元触媒223における浄化率が、浄化対象物質の各々について算出される際、触媒モデル310には先ず、ROM等に予め記憶されている、三元触媒223の形状に関する物性値、例えばセル開口面積、セル数及び熱伝達率等の指標値が入力される。そして、触媒流入ガスモデル320から、前述した、触媒流入ガスの状態を規定する指標値が入力される。   When the purification rate in the three-way catalyst 223 is calculated for each of the substances to be purified according to the above equation (1), the catalyst model 310 first relates to the shape of the three-way catalyst 223 stored in advance in a ROM or the like. Physical property values, for example, index values such as the cell opening area, the number of cells, and the heat transfer coefficient are input. Then, from the catalyst inflow gas model 320, the above-described index value that defines the state of the catalyst inflow gas is input.

これら物性値及び指標値が入力されると、触媒モデル310は、(1)式に係る数値演算処理を、設定されたセル数に対応する頻度で繰り返す。より具体的には、触媒モデル310は、例えば第1のセルについて、初期値となるNOx濃度(即ち、触媒流入ガスのNOx濃度)及び(1)式に基づいた数値演算により第1のセルについてのNOx浄化率を取得し、係る取得された浄化率に基づいて、第2のセルにおける浄化率推定に係る数値演算処理に供すべきNOx濃度を取得する。   When these physical property values and index values are input, the catalyst model 310 repeats the numerical calculation processing according to the equation (1) at a frequency corresponding to the set number of cells. More specifically, the catalyst model 310, for example, for the first cell, the NOx concentration that is the initial value (that is, the NOx concentration of the catalyst inflow gas) and the numerical calculation based on the equation (1) NOx purification rate is obtained, and based on the obtained purification rate, the NOx concentration to be subjected to the numerical calculation processing related to the purification rate estimation in the second cell is obtained.

触媒モデル310は、更に同様の処理を設定されたセル数分繰り返し、最終的に三元触媒223の出口における、即ち触媒排出ガスにおけるNOx濃度を算出する。触媒排出ガスにおけるNOx濃度を算出すると、触媒モデル310は、係るNOx濃度に基づいてエミッション値を算出し、エミッション状態推定結果として出力する。触媒モデル310では、浄化対象物質の各々について、このような処理が並行して実行されている。   The catalyst model 310 further repeats the same processing for the set number of cells, and finally calculates the NOx concentration at the outlet of the three-way catalyst 223, that is, in the catalyst exhaust gas. When the NOx concentration in the catalyst exhaust gas is calculated, the catalyst model 310 calculates an emission value based on the NOx concentration and outputs it as an emission state estimation result. In the catalyst model 310, such a process is performed in parallel for each of the substances to be purified.

一方、三元触媒223は、気筒201から排出される排出ガス(実質的には、触媒流入ガス)によって高温となり、触媒温度や酸素濃度(或いは、酸素濃度を規定するものとしての空燃比又は吸入空気量等)等の熱負荷要因により劣化する。触媒劣化モデル330は、触媒モデル310から入力される、触媒温度及び酸素濃度等の熱負荷指標値に基づいて、上記(1)式を補正するための熱負荷補正係数を算出する。算出された熱負荷補正係数は、触媒モデル310に入力される。   On the other hand, the three-way catalyst 223 becomes a high temperature due to exhaust gas (substantially catalyst inflow gas) exhausted from the cylinder 201, and the air-fuel ratio or intake as a catalyst temperature or oxygen concentration (or oxygen concentration is defined). Deteriorated by heat load factors such as air volume. The catalyst deterioration model 330 calculates a heat load correction coefficient for correcting the above equation (1) based on the heat load index values such as the catalyst temperature and the oxygen concentration input from the catalyst model 310. The calculated thermal load correction coefficient is input to the catalyst model 310.

尚、(1)式において、熱負荷の影響は、主として頻度因子A及び活性化エネルギEに現れる。より具体的には、熱負荷が大きい程、頻度因子Aは小さく、且つ活性化エネルギEは大きくなる。即ち、熱負荷が大きい程、(1)式により規定されるNOx浄化率は低下する。触媒劣化モデル330は、熱負荷に応じた頻度因子A及び活性化エネルギEの変化特性を総括的に表すものとして熱負荷補正係数を算出し、触媒モデル310に出力する。   In the equation (1), the influence of the thermal load mainly appears in the frequency factor A and the activation energy E. More specifically, the greater the heat load, the smaller the frequency factor A and the greater the activation energy E. That is, the greater the heat load, the lower the NOx purification rate defined by equation (1). The catalyst deterioration model 330 calculates a thermal load correction coefficient as a comprehensive representation of the change characteristics of the frequency factor A and the activation energy E according to the thermal load, and outputs the thermal load correction coefficient to the catalyst model 310.

触媒モデル310は、上述した触媒排出ガスのエミッション特性の推定に際し、触媒劣化モデル330から入力される熱負荷補正係数を(1)式に乗じることによって(1)式を補正する。従って触媒モデル310は、三元触媒223に付与される熱負荷を考慮した、正確なエミッション値を出力することができる。   The catalyst model 310 corrects the equation (1) by multiplying the equation (1) by the thermal load correction coefficient input from the catalyst deterioration model 330 when estimating the emission characteristics of the catalyst exhaust gas described above. Therefore, the catalyst model 310 can output an accurate emission value in consideration of the heat load applied to the three-way catalyst 223.

上述したように、上記(1)式を構成する頻度因子A、抑制項G、活性化エネルギE、及びべき乗指数kの値を実情に適した値に設定することが出来れば、(1)式に基づいて触媒モデル310が実行する数値演算処理によって、実際の三元触媒223における浄化対象物質の浄化率を正確に近似することが可能となり、最終的に触媒モデル310から出力される触媒排出ガスのエミッション値を、実際に触媒排出ガスのエミッションを実測することなく正確に推定することが可能となる。   As described above, if the values of the frequency factor A, the suppression term G, the activation energy E, and the power exponent k that constitute the equation (1) can be set to values suitable for the actual situation, the equation (1) It is possible to accurately approximate the purification rate of the substance to be purified in the actual three-way catalyst 223 by the numerical calculation processing executed by the catalyst model 310 based on the catalyst exhaust gas that is finally output from the catalyst model 310 The emission value can be accurately estimated without actually measuring the emission of the catalyst exhaust gas.

尚、係る事情に鑑みれば、触媒モデル310におけるエミッション状態の推定精度は、反応速度定数Kの同定精度によって大きく影響される。従って、反応速度定数Kの同定は、実機の触媒(例えば、エンジン200に搭載される前の三元触媒223或いはそれと同等の触媒等)から得られる、例えば空燃比等の運転条件に応じた浄化率の実測値に適合するように、予めエミッション推定モデル300がECU100内に構築される以前に行われている。   In view of such circumstances, the estimation accuracy of the emission state in the catalyst model 310 is greatly influenced by the identification accuracy of the reaction rate constant K. Therefore, the reaction rate constant K can be identified by purifying according to the operating conditions such as the air-fuel ratio obtained from the actual catalyst (for example, the three-way catalyst 223 before being mounted on the engine 200 or a catalyst equivalent thereto). This is performed before the emission estimation model 300 is built in the ECU 100 in advance so as to conform to the actually measured value of the rate.

<1−2−2:酸素濃度を考慮した補正>
一方、三元触媒223の内部に酸素が十分に存在する場合、係る潤沢に存在する酸素によってNOxからの酸素の脱離が阻害されるため、NOxの触媒反応は遅滞し易い。即ち、浄化率が低下し易い。他方、触媒流入ガスの流速が相対的に高くなるエンジン200の高負荷領域(高流量域)では、触媒流入ガス中の絶対的な酸素量が多いことに加え、触媒流入ガスの流速が高いことに起因する他の酸化反応の反応速度の低下等により、三元触媒223内部の酸素濃度が高くなり易い。
<1-2-2: Correction in consideration of oxygen concentration>
On the other hand, when oxygen is sufficiently present inside the three-way catalyst 223, the desorption of oxygen from NOx is hindered by such abundant oxygen, and thus the catalytic reaction of NOx tends to be delayed. That is, the purification rate tends to decrease. On the other hand, in the high load region (high flow rate region) of the engine 200 where the flow rate of the catalyst inflow gas is relatively high, in addition to the large amount of absolute oxygen in the catalyst inflow gas, the flow rate of the catalyst inflow gas is high. The oxygen concentration inside the three-way catalyst 223 tends to increase due to a decrease in the reaction rate of other oxidation reactions caused by the above.

従って、例えば、エンジン200の高負荷領域では、顕著には触媒入り口に近い程NOxの浄化が進行し難い状況が発生する。このため、高負荷領域では、酸素濃度によってはNOxが三元触媒223内を浄化されないまま通過する、所謂「NOxの吹き抜け」と称されるような事態が発生する。   Therefore, for example, in the high load region of the engine 200, there is a situation in which the purification of NOx hardly progresses as it gets closer to the catalyst inlet. For this reason, in the high load region, depending on the oxygen concentration, a situation called “NOx blow-through” occurs in which NOx passes through the three-way catalyst 223 without being purified.

ところが、上述した(1)式によって規定される浄化率をNOxに適用する場合、(1)式にこのような酸素濃度の影響が記述されていないため、係るNOxの吹き抜け現象を表すことが難しい。即ち、(1)式に従ってNOxの浄化率を規定する場合、高負荷領域において顕著に実際の浄化率から乖離し易く、触媒排出ガスのエミッション特性の推定精度が極端に低下し易い。   However, when applying the purification rate defined by the above-described equation (1) to NOx, it is difficult to express the NOx blow-through phenomenon because the effect of such oxygen concentration is not described in equation (1). . That is, when the NOx purification rate is defined in accordance with the equation (1), it is likely to deviate significantly from the actual purification rate in the high load region, and the estimation accuracy of the emission characteristics of the catalyst exhaust gas is likely to be extremely lowered.

ここで、図3を参照して、三元触媒223におけるNOxの浄化特性について説明する。ここに、図3は、三元触媒223におけるNOx及びOの濃度変化を概念的に表してなる模式図である。 Here, the NOx purification characteristics of the three-way catalyst 223 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic diagram conceptually showing changes in the concentrations of NOx and O 2 in the three-way catalyst 223.

図3において、縦軸には三元触媒223内のガス濃度が、また横軸には三元触媒223の入り口(即ち、三元触媒223のフロント側端部であり、以下、適宜「触媒入り口」と称する)からの長さLが表されている。   In FIG. 3, the vertical axis represents the gas concentration in the three-way catalyst 223, and the horizontal axis represents the inlet of the three-way catalyst 223 (that is, the front side end of the three-way catalyst 223. The length L from (referred to as “)” is represented.

図3において、酸素濃度及びNOx濃度の夫々について、エンジン200の相互に異なる二種類の負荷領域、即ち、低負荷(低流量)領域及び高負荷(高流量)領域に対応する濃度変化の特性(即ち、浄化特性の一例)が示される。   In FIG. 3, for each of the oxygen concentration and the NOx concentration, the concentration change characteristics corresponding to two different load regions of the engine 200, that is, a low load (low flow rate) region and a high load (high flow rate) region ( That is, an example of the purification characteristic) is shown.

低負荷領域における酸素濃度の変化特性は、図示PRFO1(細実線)として示される。即ち、触媒入り口(図示長さLが0の位置)において、酸素濃度は初期値Bを採り、三元触媒223の出口(即ち、リア側端部であり、以下、適宜「触媒出口」と称する)、即ち、図示長さLmaxの位置において濃度は略ゼロとなる。 The change characteristic of the oxygen concentration in the low load region is shown as PRFO 2 1 (thin solid line) in the figure. That is, at the catalyst inlet (the position where the illustrated length L is 0), the oxygen concentration takes the initial value B and is the outlet of the three-way catalyst 223 (that is, the rear side end portion, hereinafter referred to as “catalyst outlet” as appropriate). ), That is, the density is substantially zero at the position of the illustrated length Lmax.

低負荷領域におけるNOx濃度の変化特性は、図示PRFNOx1(太実線)として表される。ここで、上述したように、触媒内部では、酸素濃度がある程度減少した後にNOxの浄化が開始される。このNOxの浄化が開始される酸素濃度をD(D<B)とすると、NOxの浄化が開始される触媒内の位置は、図示長さL1に相当する位置となる。即ち、触媒入り口から長さL1に至るまでの領域では、NOxは浄化されずに(実践上有効であるとみなされる程度には浄化されずに)触媒内を通過する。また、触媒入り口からの長さがL1となる位置からNOxの浄化が開始されると、NOx濃度は徐々に減少し、触媒出口で概ねゼロとなる。   The change characteristic of the NOx concentration in the low load region is represented as illustrated PRFNOx1 (thick solid line). Here, as described above, NOx purification is started inside the catalyst after the oxygen concentration has decreased to some extent. When the oxygen concentration at which the NOx purification is started is D (D <B), the position in the catalyst at which the NOx purification is started is a position corresponding to the illustrated length L1. That is, in the region from the catalyst entrance to the length L1, NOx passes through the catalyst without being purified (not purified to such an extent that it is considered practically effective). Further, when NOx purification starts from a position where the length from the catalyst inlet becomes L1, the NOx concentration gradually decreases and becomes substantially zero at the catalyst outlet.

一方、高負荷領域における酸素濃度の変化特性は、図示PRFO2(図示細破線)として示される。図示の通り、高負荷領域では触媒流入ガスの流速が相対的に高いため、酸素の浄化速度が相対的に緩やかとなり、上述した濃度Dまで酸素濃度が低下するのは、触媒入り口から長さL2の位置である。 On the other hand, variation characteristics of the oxygen concentration in the high load range is indicated as shown PRFO 2 2 (shown thin dashed line). As shown in the figure, the flow rate of the catalyst inflow gas is relatively high in the high load region, so that the oxygen purification rate becomes relatively slow, and the oxygen concentration is reduced to the above-mentioned concentration D by the length L2 from the catalyst inlet. Is the position.

高負荷領域におけるNOx濃度の特性は、図示PRFNOx2(図示太破線)となる。即ち、低負荷領域の場合と同様の考え方により、NOxの濃度が低下し始めるのは触媒入り口から長さL2の位置であり、触媒出口においてNOx濃度はC(B<C<D)となる。このように、高負荷領域では、酸素濃度の減少速度が緩慢になるため、触媒内部でNOxが十分に浄化されず、相当程度のNOxが浄化されぬまま排出され、触媒排出ガスのエミッションが悪化するといった事態が発生する。   The characteristic of the NOx concentration in the high load region is illustrated as PRFNOx2 (shown with a thick broken line). That is, according to the same concept as in the low load region, the NOx concentration starts to decrease at the position of the length L2 from the catalyst inlet, and the NOx concentration becomes C (B <C <D) at the catalyst outlet. In this way, in the high load region, the rate of decrease in oxygen concentration becomes slow, so NOx is not sufficiently purified inside the catalyst, and a considerable amount of NOx is exhausted without being purified, and the emission of catalyst exhaust gas deteriorates. A situation occurs.

このようなNOxの吹き抜け現象は、先に述べた(1)式では十分に表し得ないため、顕著には高負荷領域において、触媒モデル310に係るエミッションの推定結果と、実際のエミッション特性とが大きく乖離することになる。   Such a blow-through phenomenon of NOx cannot be sufficiently expressed by the above-described equation (1). Therefore, the emission estimation result related to the catalyst model 310 and the actual emission characteristics are noticeably in a high load region. It will be a big difference.

そこで、本実施形態では、NOxの浄化率を規定する式が、下記(3)式によって表される。即ち、触媒モデル310は、NOxの浄化率を推定する場合に、上記(1)式を、酸素濃度の影響を考慮すべく(3)式に補正する。尚、(3)式において、nは、kと同様に実際の浄化率に適合するように同定されるべき乗指数であり、基本的には1に設定される。   Therefore, in the present embodiment, an expression that defines the NOx purification rate is expressed by the following expression (3). That is, when estimating the NOx purification rate, the catalyst model 310 corrects the above equation (1) to the equation (3) in order to consider the influence of the oxygen concentration. In the equation (3), n is a power exponent to be identified so as to match the actual purification rate similarly to k, and is basically set to 1.

d[NOx]/dt=K・[NOx]^k/(1+[O]^n)・・・(3)
係る(3)式によれば、酸素濃度が高い領域ではNOxの浄化率が低くなり、また酸素濃度が十分に低くなれば、実質的にNOxの浄化が開始される。即ち、図3に概念的に示される触媒内のNOxの濃度変化特性を高精度に近似することが可能となる。
d [NOx] / dt = K · [NOx] ^ k / (1+ [O 2 ] ^ n) (3)
According to the equation (3), the NOx purification rate is low in a region where the oxygen concentration is high, and NOx purification is substantially started when the oxygen concentration is sufficiently low. That is, the NOx concentration change characteristic in the catalyst conceptually shown in FIG. 3 can be approximated with high accuracy.

尚、酸素濃度の影響を考慮する際の補正の態様は無論これに限定されず、例えば(3)式において、酸素濃度の項を、酸素濃度に例えば「Aexp(−E/RT)」なる定数を乗じてなる項に置換してもよい。ここで、A及びEは、上述した反応速度定数と同様に頻度因子と活性化エネルギを表し、事前に実際のNOxの浄化率と適合するように同定される。 Of course, the correction mode when considering the influence of the oxygen concentration is not limited to this. For example, in the equation (3), the term of oxygen concentration is set to the oxygen concentration, for example, “A 1 exp (−E 1 / RT) May be replaced by a term that is multiplied by a constant. Here, A 1 and E 1 represent the frequency factor and the activation energy in the same manner as the reaction rate constant described above, and are identified in advance so as to match the actual NOx purification rate.

ここで、図4を参照し、(3)式に基づいて得られるNOx濃度の推定結果について説明する。ここに、図4は、吸入空気量Gaに対する触媒排出ガス中のNOx濃度の特性を概念的に表す模式図である。   Here, with reference to FIG. 4, the estimation result of the NOx concentration obtained based on the equation (3) will be described. FIG. 4 is a schematic diagram conceptually showing the characteristic of the NOx concentration in the catalyst exhaust gas with respect to the intake air amount Ga.

図4において、図3に示した実際のNOx濃度の変化特性に相当する特性が、図示PRFNOx3(実線)として示される。即ち、既に説明したように、吸入空気量Gaが高い領域(高負荷領域)において、触媒排出ガス中のNOx濃度は急激に上昇する。   In FIG. 4, a characteristic corresponding to the actual change characteristic of the NOx concentration shown in FIG. 3 is shown as PRFNOx3 (solid line) in the figure. That is, as already described, in the region where the intake air amount Ga is high (high load region), the NOx concentration in the catalyst exhaust gas rapidly increases.

一方、式(3)に従って触媒モデル310により推定されたNOx濃度は、図示PRFNOx4(図示二点鎖線)として表される。即ち、式(1)に更に酸素濃度の補正項が適用されるため、PRFNOx4は、PRFNOx3に漸近し、吸入空気量Gaが高い領域において急激に上昇する。   On the other hand, the NOx concentration estimated by the catalyst model 310 according to the equation (3) is expressed as illustrated PRFNOx4 (illustrated two-dot chain line). That is, since the correction term for the oxygen concentration is further applied to the equation (1), PRFNOx4 is asymptotic to PRFNOx3 and rapidly increases in a region where the intake air amount Ga is high.

ここで、図4には更に、本実施形態に係る比較例として、図示PRFNOx5(図示破線)及びPRFNOx6(図示一点鎖線)が示される。両特性は、いずれも式(1)に従って触媒モデル310により推定されたNOx濃度の変化特性であり、いずれも酸素濃度の影響が考慮されていないため、吸入空気量Gaの変化に対しNOx濃度の変化がリニアとなる。   Here, FIG. 4 further shows illustrated PRFNOx 5 (illustrated broken line) and PRFNOx 6 (illustrated dashed line) as comparative examples according to the present embodiment. Both of these characteristics are changes in the NOx concentration estimated by the catalyst model 310 according to the equation (1), and since both do not consider the influence of the oxygen concentration, the NOx concentration changes with respect to the change in the intake air amount Ga. Change is linear.

従って、PRFNOx5を用いて高負荷領域におけるNOx濃度の推定精度を高めようとすれば、低負荷領域(吸入空気量Gaが低い領域)におけるNOx濃度の推定精度が低下し、PRFNOx6を用いて低負荷領域におけるNOx濃度の推定精度を高めようとすれば、高負荷領域(吸入空気量Gaが高い領域)におけるNOx濃度の推定精度が低下する。即ち、式(1)を用いた場合、酸素濃度に対するNOx濃度の変化を十分に推定することが難しいことが明らかである。   Therefore, if the estimation accuracy of the NOx concentration in the high load region is increased using PRFNOx5, the estimation accuracy of the NOx concentration in the low load region (region where the intake air amount Ga is low) decreases, and the load is reduced using PRFNOx6. If an attempt is made to increase the NOx concentration estimation accuracy in the region, the NOx concentration estimation accuracy in the high load region (region where the intake air amount Ga is high) decreases. In other words, it is clear that it is difficult to sufficiently estimate the change in the NOx concentration with respect to the oxygen concentration when the equation (1) is used.

その点、PRFNOx4として示される通り、酸素濃度の補正項により酸素濃度の影響が考慮された場合には、酸素濃度(近似的には吸入空気量Ga)に応じたNOxの濃度変化を高精度に近似することが可能となり、触媒モデル310によって、触媒排出ガス中のエミッション特性を高精度に推定することが可能となるのである。   In this respect, as shown as PRFNOx4, when the influence of the oxygen concentration is taken into account by the correction term of the oxygen concentration, the concentration change of NOx according to the oxygen concentration (approximately, the intake air amount Ga) is accurately determined. Thus, the catalyst model 310 can estimate the emission characteristics in the catalyst exhaust gas with high accuracy.

<2:第2実施形態>
第1実施形態では、三元触媒223におけるNOxの浄化率が、(3)式により、NOx濃度と反応速度定数Kとの積を含む形で定義された。しかしながら、NOxの浄化率は、還元剤として機能するCOやHC等の濃度とも関係し得るため、NOxの濃度変化を推定する場合、これら還元剤の影響を考慮することにより一層推定精度が向上する可能性がある。
<2: Second Embodiment>
In the first embodiment, the NOx purification rate in the three-way catalyst 223 is defined in a form including the product of the NOx concentration and the reaction rate constant K by the equation (3). However, since the NOx purification rate can also be related to the concentration of CO, HC, or the like that functions as a reducing agent, when estimating the NOx concentration change, the estimation accuracy is further improved by considering the influence of these reducing agents. there is a possibility.

そこで、第2実施形態として、触媒モデル310は、第1実施形態に係る(3)式に代えて、下記(4)式により表されるNOx浄化率に基づいて触媒排出ガス中のNOx濃度を推定する。   Therefore, as a second embodiment, the catalyst model 310 changes the NOx concentration in the catalyst exhaust gas based on the NOx purification rate expressed by the following equation (4) instead of the equation (3) according to the first embodiment. presume.

浄化率=d[NOx]/dt=K・[NOx]^k・[第1還元剤]^m/(1+[O]^n)+K・[NOx]^k・[第2還元剤]^m/(1+[O]^n)・・・(4)
ここで、[第1還元剤]及び[第2還元剤]とは、夫々第1還元剤(例えば、CO又はHC)の濃度及び第2還元剤(例えば、HC又はCO)の濃度を表す。また、K及びKは夫々反応速度定数であり、k、k、m、mはn及びnは、夫々べき乗指数である。
Purification rate = d [NOx] / dt = K 1. [NOx] ^ k 1. [First reducing agent] ^ m 1 / (1+ [O 2 ] ^ n 1 ) + K 2. [NOx] ^ k 2. [Second reducing agent] ^ m 2 / (1+ [O 2 ] ^ n 2 ) (4)
Here, [first reducing agent] and [second reducing agent] represent the concentration of the first reducing agent (for example, CO or HC) and the concentration of the second reducing agent (for example, HC or CO), respectively. K 1 and K 2 are reaction rate constants, respectively, k 1 , k 2 , m 1 , and m 2 are n 1 and n 2 are power exponents, respectively.

係る(4)式に従えば、第1実施形態と同様に酸素濃度の影響を考慮しつつ、更に還元剤毎に還元剤の濃度が考慮されるため、実際のNOxの浄化率が一層正確に近似される。但し、この際、ECU100内に構築される前段階である係数同定に係る負荷が増大するため、エミッション特性の推定に際し、触媒モデル310がいずれの式を用いるべきかは、エンジン200の仕様、仕向け及び要求性能等に応じてエンジン200毎に個別具体的に決定されてよい。いずれの場合であっても、(1)式と比較すればNOxの浄化率を正確に表すことが可能となるから、三元触媒223におけるNOxの浄化率を高精度に推定することが可能となり、最終的に触媒排出ガスにおけるエミッション特性、顕著にはNOxの排出量の推定に係る精度が飛躍的に向上する。   According to the equation (4), since the concentration of the reducing agent is further considered for each reducing agent while considering the influence of the oxygen concentration as in the first embodiment, the actual NOx purification rate is more accurately determined. Approximated. However, at this time, since the load related to coefficient identification, which is the previous stage built in the ECU 100, increases, which equation the catalyst model 310 should use in estimating the emission characteristics depends on the specifications and destinations of the engine 200. Further, it may be specifically determined for each engine 200 according to the required performance and the like. In any case, the NOx purification rate can be accurately expressed as compared with the equation (1). Therefore, the NOx purification rate in the three-way catalyst 223 can be estimated with high accuracy. Finally, the emission characteristics of the catalyst exhaust gas, and particularly the accuracy related to the estimation of the NOx emission amount, are dramatically improved.

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う排出ガスの状態推定装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the gist or concept of the invention that can be read from the claims and the entire specification, and the state of exhaust gas accompanying such a change. The estimation device is also included in the technical scope of the present invention.

本発明の第1実施形態に係るエンジンシステムを表す模式図である。It is a mimetic diagram showing the engine system concerning a 1st embodiment of the present invention. 図1のエンジンシステムにおいてECU内に構築されたエミッション推定モデルの構成を概念的に表してなる模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram conceptually showing a configuration of an emission estimation model built in an ECU in the engine system of FIG. 1. 三元触媒におけるNOx及びOの濃度特性を概念的に表してなる模式図である。It is a schematic diagram conceptually showing the concentration characteristics of NOx and O 2 in a three-way catalyst. 吸入空気量に対する触媒排出ガス中のNOx濃度の特性を概念的に表す模式図である。It is a schematic diagram conceptually showing the characteristic of NOx concentration in catalyst exhaust gas with respect to the amount of intake air.

符号の説明Explanation of symbols

10…エンジンシステム、100…ECU、200…エンジン、201…気筒、203…ピストン、205…クランクシャフト、222…空燃比センサ、223…三元触媒、300…エミッション推定モデル、310…触媒モデル、320…触媒流入ガスモデル、330…触媒劣化モデル。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Engine system, 100 ... ECU, 200 ... Engine, 201 ... Cylinder, 203 ... Piston, 205 ... Crankshaft, 222 ... Air-fuel ratio sensor, 223 ... Three-way catalyst, 300 ... Emission estimation model, 310 ... Catalyst model, 320 ... catalyst inflow gas model, 330 ... catalyst deterioration model.

Claims (4)

触媒を備えた内燃機関において該触媒から排出される排出ガスの状態を推定する排出ガスの状態推定装置であって、
前記触媒へ流入する流入ガスの状態を特定する特定手段と、
予め前記触媒における浄化対象物質の各々の浄化特性を規定するものとして該各々について構築された、該各々の濃度に対応する項と、前記触媒における触媒反応に係る反応速度定数との積を含んでなる基準モデル式に従い、前記特定された流入ガスの状態に基づいて前記排出ガスの状態を推定する推定手段と、
前記浄化対象物質が窒素酸化物である場合に、酸素濃度が減少するのに応じて前記窒素酸化物の浄化率が上昇するように前記基準モデル式を補正する第1の補正手段と
を具備することを特徴とする排出ガスの状態推定装置。
An exhaust gas state estimation device for estimating a state of exhaust gas discharged from a catalyst in an internal combustion engine equipped with a catalyst,
Specifying means for specifying the state of the inflowing gas flowing into the catalyst;
Including a product of a term corresponding to each concentration and a reaction rate constant relating to a catalytic reaction in the catalyst, which is established for each of the substances to be purified in advance to define the purification characteristics of the catalyst in the catalyst. Estimating means for estimating the state of the exhaust gas based on the specified state of the inflowing gas according to a reference model equation
First correction means for correcting the reference model equation so that the purification rate of the nitrogen oxides increases as the oxygen concentration decreases when the substance to be purified is nitrogen oxides. An exhaust gas state estimation device characterized by the above.
前記触媒に付与される熱負荷に基づいて前記基準モデル式を補正する第2の補正手段を更に具備する
ことを特徴とする請求項1に記載の排出ガスの状態推定装置。
The exhaust gas state estimation device according to claim 1, further comprising second correction means for correcting the reference model formula based on a thermal load applied to the catalyst.
前記反応速度定数は、前記触媒中の活性点の数を表す頻度因子に対応する項と、前記触媒反応が生じる際のエネルギを表す活性化エネルギに対応する項とを含む
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の排出ガスの状態推定装置。
The reaction rate constant includes a term corresponding to a frequency factor representing the number of active sites in the catalyst and a term corresponding to activation energy representing energy when the catalytic reaction occurs. Item 3. The exhaust gas state estimation apparatus according to Item 1 or 2.
前記基準モデル式は、前記積と前記浄化対象物質に対応する還元剤の濃度との積を、該還元剤の種類毎に加算してなる加算項を含む
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の排出ガスの状態推定装置。
The said reference model formula includes the addition term formed by adding the product of the said product and the density | concentration of the reducing agent corresponding to the said purification target substance for every kind of this reducing agent. The exhaust gas state estimation device according to any one of the above.
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