内燃机的排气催化装置温度估计设备及排气催化装置温度估计方法

技术领域

本发明涉及内燃机(internal combustion engine)的排气催化装置温度估计设备及排气催化装置温度估计方法。

背景技术

用于净化废气的排气催化装置(exhaust catalyst)被设置在内燃机的排气系统中。在该类型的排气催化装置中装载的催化剂具有活化温度(activation temperature)，如果催化剂的温度等于或低于该活化温度，则催化剂不能充分地净化废气。因此，需要通过估计排气催化装置温度作为催化剂温度来判定催化剂是否已达到活化温度。

例如，日本专利申请公开5-248227(JP-A-5-248227)描述了如下估计当前排气催化装置温度：通过符合性试验(compliance test)而应用于实际发动机来确定使用当前发动机速度、当前燃料喷射量以及当前燃烧空燃比(air-fuel ratio)作为变量的用于估计当前排气催化装置温度的模型公式(model formula)，然后使用该模型公式估计当前排气催化装置温度。

通过如上所述估计排气催化装置温度，该被确定的模型公式还考虑到由于排气催化装置中的化学反应而由包含在废气中的未燃烧的燃料及类似物的热产生。然而，即使在相同条件下，也不能确保总是发生产生相同热量的化学反应。此外，如果催化剂劣化，由相同条件下的化学反应产生的热量稳定地减小。由此，即使使用考虑了化学反应的模型公式来估计排气催化装置温度，所估计的排气催化装置温度也会超过实际温度，这会导致不正确地判断出催化剂已经达到活化温度。

发明内容

本发明提供了一种排气催化装置温度估计设备和一种排气催化装置温度估计方法，该排气催化装置温度估计设备估计排气催化装置温度以判定催化剂是否被活化，其中可以更精确地确定基于所估计的排气催化装置温度的催化剂的活化。

本发明的第一方面涉及一种用于估计排气催化装置的排气催化装置温度的排气催化装置温度估计设备，在所述排气催化装置中，催化剂被加载在承载体(support)上并被设置在内燃机的排气系统中，其中：所述排气催化装置温度估计设备使用第一模型公式基于与当前废气状态对应的参数而计算所述排气催化装置的当前排气催化装置温度来估计所述排气催化装置温度；且所述第一模型公式是通过使用被加载所述催化剂之前的所述承载体而根据经验确定的，以便对于所述参数计算排除了由化学反应产生的热的排气催化装置温度，或者，所述第一模型公式是被加载所述催化剂之前的所述承载体的物理公式，以便对于所述参数计算排除了由化学反应产生的热的排气催化装置温度。

根据上述方面，所估计的排气催化装置温度几乎从不(hardly ever)低于或高于实际排气催化装置温度，因此可以充分地抑制基于所估计的排气催化装置温度对催化剂活化的不正确的确定。这里，当根据经验确定用于计算没有由化学反应产生的热的排气催化装置温度的第一模型公式时，使用在被加载有催化剂之前的承载体，这是因为：由于由所承载的催化剂导致的化学反应的发生而造成的甚至微量的(even slight)热产生，不能使用排气催化装置。

在上述配置中，所述排气催化装置温度估计设备可使用第二模型公式基于与当前废气状态对应的参数而计算所述排气催化装置的所述当前排气催化装置温度，所述第二模型公式可以是通过使用承载有所述催化剂的所述排气催化装置而根据经验确定的，以便对于所述参数计算没有由化学反应产生的热的排气催化装置温度，或者，所述第二模型公式可以是承载有所述催化剂的所述排气催化装置的物理公式，以便对于所述参数计算存在由化学反应产生的热时的排气催化装置温度，且所述排气催化装置温度估计设备在预定条件被满足时可以使用所述第一模型公式估计所述当前排气催化装置温度，而当所述预定条件未被满足时可以使用所述第二模型公式估计所述当前排气催化装置温度。

根据上述配置，如果预定条件被满足，可以基于在排气催化装置中由化学反应产生的热的存在而根据第二模型公式估计排气催化装置温度，以及可以从基于在排气催化装置中由化学反应产生的热的不存在而根据第一模型公式估计的排气催化装置温度来估计更接近实际排气催化装置温度的排气催化装置温度。

在上述配置中，可以在所述排气催化装置温度低于预定温度时认为所述预定条件被满足。

根据上述配置，当预定条件被满足时，根据第一模型公式估计排气催化装置温度，此时，由于确定排气催化装置温度低于预定温度，排气催化装置温度相对低，排气催化装置中的化学反应是不活跃的(inactive)，仅仅产生少量的热，从而基于在排气催化装置中由化学反应产生的热的不存在而根据第一模型公式估计的排气催化装置温度不会与实际排气催化装置温度有很大不同。此外，如果预定条件未被满足，由于排气催化装置温度被判定为高于预定温度，排气催化装置温度相对高，排气催化装置中的化学反应是活跃的(active)，这导致增加了所产生的热的量，由此基于在排气催化装置中由化学反应产生的热的存在而根据所述第二模型公式估计非常接近实际排气催化装置温度的排气催化装置温度。

在上述配置中，在从发动机起动完成起的经过时间小于预定时间的情况下可以认为所述预定条件被满足。

根据上述配置，当该预定条件被满足时，根据所述第一模型公式估计排气催化装置温度，此时，由于从发动机起动完成起的经过时间小于预定时间，排气催化装置温度相对低，排气催化装置中的化学反应是不活跃的，仅仅产生少量的热，从而基于在排气催化装置中由化学反应产生的热的不存在而根据第一模型公式估计的排气催化装置温度不会与实际排气催化装置温度有很大不同。此外，如果预定条件未被满足，由于此时从发动机起动完成起的经过时间长于预定时间，排气催化装置温度相对高，排气催化装置中的化学反应是活跃的，这导致增加了所产生的热的量，由此基于在排气催化装置中由化学反应产生的热的存在而根据第二模型公式估计非常接近实际排气催化装置温度的排气催化装置温度。

在上述配置中，可以基于冷却水温度低于预定水温而认为所述预定条件被满足。

根据上述配置，当该预定条件被满足时，根据第一模型公式估计排气催化装置温度，此时，排气催化装置温度相对低，排气催化装置中的化学反应是不活跃的，仅仅产生微量的热，从而基于在排气催化装置中由化学反应产生的热的不存在而根据第一模型公式估计的排气催化装置温度不会与实际排气催化装置温度有很大不同。此外，如果该预定条件未被满足，排气催化装置温度相对高，排气催化装置中的化学反应是活跃的，这导致增加了所产生的热的量，由此基于在排气催化装置中由化学反应产生的热的存在而根据第二模型公式估计非常接近实际排气催化装置温度的排气催化装置温度。

在上述配置中，所述排气催化装置温度估计设备的算术处理单元不仅使用所述第一模型公式或所述第二模型公式计算所述当前排气催化装置温度，而且还负责其他算术处理，且与当所述其他算术处理的负荷小时相比，当所述其他算术处理的负荷大时可以使所述预定条件更容易被满足。

根据上述配置，当算术处理单元中的其他算术处理的负荷大时，该预定条件容易被满足并基于由化学反应产生的热的不存在而根据第一模型公式估计排气催化装置温度，这时仅仅需要小的算术处理负荷，而当算术处理单元的其他算术处理的负荷小时，较难满足预定条件，因此，基于由化学反应产生的热的存在而根据第二模型公式估计需要大的算术处理负荷的相对精确的排气催化装置温度。

在本发明的第二方面中，本发明涉及一种用于估计排气催化装置的排气催化装置温度的排气催化装置温度估计方法，在所述排气催化装置中，催化剂被加载在承载体上并被设置在内燃机的排气系统中。该排气催化装置温度估计方法包括：通过使用第一模型公式基于与当前废气状态对应的参数而计算所述排气催化装置的当前排气催化装置温度来估计所述排气催化装置温度，其中：所述第一模型公式是通过使用被加载所述催化剂之前的所述承载体而根据经验确定的，以便对于所述参数计算没有由化学反应产生的热的排气催化装置温度，或者，所述第一模型公式是被加载所述催化剂之前的所述承载体的物理公式，以便对于所述参数计算没有由化学反应产生的热的排气催化装置温度。

附图说明

通过参考附图对示例性实施例的以下描述，本发明的上述和其他特征及优点将变得显而易见，其中使用相似的标号表示相似的要素，且其中：

图1为示出了其中使用根据本发明的内燃机的排气催化装置温度估计设备估计温度的排气催化装置的示意图；

图2为图示了由根据本发明的排气催化装置温度估计设备执行的温度估计处理的流程图；以及

图3为示出了根据图2所示的流程图估计的排气催化装置温度的变化的图。

具体实施方式

图1为示出了其中通过根据本发明的内燃机的排气催化装置温度估计设备来估计温度的排气催化装置的示意图。如图1所示，内燃机具有狄塞尔发动机(diesel engine)或火花点火内燃机的排气通路1和设置在排气通路1中的净化流过排气通路1的废气的排气催化装置2。排气催化装置2可以为任何适宜的排气催化装置，例如，净化在废气中存在的氧化氮(NOx)的NOx存储-还原排气催化装置；同时净化在废气中存在的一氧化碳(CO)、碳化氢(HC)和NOx的三效排气催化装置；或者主要净化在废气中存在的CO和HC的废气氧化催化装置。

相对于当前废气状态的排气催化装置2的稳态温度(TS_n)(在当前废气状态已经持续短的时长时收敛的排气催化装置温度)可以由例如下式(1)表示：

TS_n＝K*(Ne)^a*(TA)^b*(AF/14.7)^c    (1)

这里，Ne表示内燃机的当前速度(rpm)，TA表示内燃机的当前燃料喷射时间，AF表示内燃机的当前燃烧空燃比。可以使用发动机速度Ne、燃料喷射时间TA以及燃烧空燃比AF作为表示使排气催化装置2的稳态温度变化的当前废气状态的参数，该当前废气状态例如为当前废气温度、当前废气流速以及当前在废气中包含的净化物质的量。

例如，被排气催化装置吸收的热量会随着废气温度的升高而增加，被排气催化装置吸收和辐射的热量会随着废气流速的增加而增加，并且当包含在废气中的净化物质的量增加时(如果近似其全部的量都在排气催化装置中化学反应)，由催化剂产生的热量增加。以该方式，当前废气状态是造成排气催化装置温度的改变的主要因素。此外，排气催化装置温度与环境空气温度之差越大，由排气催化装置释放的热量越多。

因此，发动机速度Ne、燃料喷射时间TA和燃烧空燃比AF的单个组合对应于当前废气温度、当前废气流速和当前在废气中包含的净化物质的量的单个组合，并且对于发动机速度Ne、燃料喷射时间TA和燃烧空燃比AF的每个组合，存在排气催化装置2的单个稳态温度TS_n。

由此，调整内燃机的操作状态以匹配发动机速度Ne、燃料喷射时间TA和燃烧空燃比AF的各种组合，并且为每个组合测量排气催化装置2的稳态温度TS_n，然后可以通过反向计算而确定式(1)中的系数K以及指数a、b和c，由此使得式(1)能够被确定用于排气催化装置2。

虽然在符合性实验中大气温度固定在恒定值(例如20℃)，但大气温度TH还可被用作变量并在式(1)(TS_n＝K*(Ne)^a*(TA)^b*(AF/14.7)^c*(TH)^d)中以d的幂的方式被乘算。在该情况下，为了通过反向计算确定指数d，需要针对内燃机的单个操作状态而改变大气温度TH并测量排气催化装置的每个稳态温度TS。

然后，可使用式(1)为发动机速度Ne、燃料喷射时间TA和燃烧空燃比AF的任何组合计算排气催化装置2的稳态温度TS_n。

当计算稳态温度TS_n时，可根据下式(2)计算当前排气催化装置温度T_n：

T_n＝CR/(216)*TS_n+(216-CR)/216*T_n-1    (2)

这里，T_n-1表示先前的排气催化装置温度，CR表示被设定为1到216的值的该先前的排气催化装置温度的权重系数。在式(2)中，如果在不改变发动机操作状态的条件下，或者换言之，在保持发动机速度Ne、燃料喷射时间TA和燃烧空燃比AF的相同组合(并保持作为其结果的废气状态)的情况下计算出的稳态温度TS_n被保持，则当前排气催化装置温度T_n逐渐接近稳态温度TS_n。

所估计的因而产生的估计的废气温度T_n可被用于判定例如是否排气催化装置2已经达到其活化温度(排气催化装置2的净化速率为例如70％时的排气催化装置温度)。在该情况下，虽然基于已使用排气催化装置2根据经验确定的式(1)而估计的排气催化装置温度Tn将由化学反应(通过该化学反应，被净化物质被排气催化装置2所净化)产生的热也包括进去，但如果排气催化装置2尚未达到其活化温度，该化学反应是不稳定的。即使在相同条件下，也不能确保化学反应产生相同量的热，并且如果催化剂劣化，在相同条件下由该化学反应产生的热量稳定地(steadily)减小。

由此，即使根据模型公式(1)估计排气催化装置温度，所估计的排气催化装置温度也会高于实际的排气催化装置温度，由此会不正确地判断出催化剂已经达到活化温度。该实施例的排气催化装置温度估计设备降低了将出现不正确判断的可能性，并且根据在图2中示出的流程图来估计排气催化装置温度。该排气催化装置温度估计设备是具有算术处理单元的电子控制设备。

首先，在步骤101中，读取当前发动机速度Ne、当前燃料喷射时间TA和当前燃烧空燃比AF，作为与当前废气状态对应的参数。接下来，在步骤102中，判定是否已经满足预定条件。该预定条件例如可以为在从发动机起动完成起的短于预定时间t1的经过时间t，并且如果该判定的结果是肯定的(t＜t1)，在步骤103中使用第一模型公式基于在步骤101中读出的参数来估计当前排气催化装置温度T_n。

第一模型公式为以上式(1)的方式的下式(1)’和上式(2)的组合：

TS_n＝K1*(Ne)^a1*(TA)^b1*(AF/14.7)^c1        (1)’

排气催化装置2具有催化剂，该催化剂被加载在其中形成有孔的单体承载体(monolithic support)中的这样的隔断(partition)的表面上，该隔断在废气的流动方向上构成规则孔(方形、三角形或六角形的孔)。这里，如下确定用于单体承载体的式(1)’：将加载催化剂之前的单体承载体设置在排气通路1中，实际改变内燃机的操作状态以实现发动机速度Ne、燃料喷射时间TA和燃烧空燃比AF的多个组合，为每个组合测量该单体承载体的每个稳态温度TS，然后可以通过反向计算来确定系数K1以及指数a1、b1和c1。

以该方式，使用加载催化剂之前的承载体，根据经验确定式(1)’，以便对各参数计算不包括由化学反应产生的热的稳态排气催化装置温度(稳态单体承载体温度)。

因为忽略了由化学反应产生的热，所估计的排气催化装置温度较小可能显著偏离实际排气催化装置温度，因此在步骤103中估计的当前排气催化装置温度T_n能够基于所估计的排气催化装置温度精确地判定催化剂是否被活化。在式(2)中，外部空气温度(固定值或测量值)可被用于先前的排气催化装置温度T_n-1的初始值。

在根据经验确定用于计算没有由化学反应产生的热的排气催化装置温度的第一模型公式时，不能使用该排气催化装置2，这是因为，在被承载的催化剂上的化学反应的发生会引起甚至微量的热产生。结果，在该实施例中，通过使用在加载催化剂之前的承载体来根据经验确定第一模型公式。

特别地，当满足步骤102的预定条件时，由于从发动机起动完成起的经过时间t小于预定时间t1，排气催化装置温度相对低，因此，排气催化装置中的化学反应是不活跃的，从而仅仅产生少量的热。由此，基于由排气催化装置中的化学反应产生的热的不存在而根据第一模型公式估计的当前排气催化装置温度T_n相当接近实际的排气催化装置温度。

如果使用第一模型公式估计的排气催化装置温度Tn与催化剂活化温度一致，则实际的排气催化装置温度也几乎总是与催化剂活化温度一致，并且，例如，于是可以避免对会典型地恶化燃料消耗的废气温度升高的控制(点火时机延迟角或燃料的增量)。

然而，如果从发动机起动完成起的经过时间t超过预定时间t1，步骤102的判定是否定的，在步骤104中使用第二模型公式基于在步骤101中读出的参数来估计当前排气催化装置温度T_n。第二模型公式以式(1)的方式组合下式(1)”与式(2)。

TS_n＝K2*(Ne)^a2*(TA)^b2*(AF/14.7)^c2            (1)”

这里，如下确定用于实际排气催化装置2的式(1)”：将加载有催化剂的排气催化装置2设置在排气通路1中，改变内燃机的操作状态以实现发动机速度Ne、燃料喷射时间TA和燃烧空燃比AF的多个组合，为每个组合测量排气催化装置2的每个稳态温度TS，然后通过反向计算确定系数K2以及指数a2、b2和c2。

以该方式，使用加载有催化剂的排气催化装置2根据经验确定式(1)”，以便为各参数计算其中存在由化学反应产生的热的排气催化装置温度。式(1)”比式(1)’复杂，这是由于考虑了化学反应，或换言之，式(1)”的指数a2、b2和c2分别大于式(1)’的指数a1、b1和c1。结果，当使用第二模型公式替代第一模型公式时，计算当前稳态排气催化装置温度时的算术处理负荷增加。

然而，如果从发动机起动完成起的经过时间t超过预定时间t1，排气催化装置温度相对高，因此，排气催化装置中的化学反应为活跃的，从而导致所产生的热的量增加。由此，使用第二模型公式估计的排气催化装置温度非常接近实际的排气催化装置温度，其中该第二模型公式考虑了由排气催化装置中的化学反应产生的热。

根据该实施例，如图3所示，直到自发动机起动完成t0开始经过了预定时间t1为止，使用第一模型公式((1)’和(2))估计不存在化学反应时的排气催化装置温度，且在该时刻之后使用第二模型公式((1)”和(2))估计存在化学反应时的排气催化装置温度。

在该实施例中，还可以不判定是否满足预定条件而根据第一模型公式继续估计不存在化学反应时的排气催化装置温度。

在该实施例的变形例中，步骤102的预定条件可在冷却剂温度低于预定冷却剂温度时得到满足。当冷却剂温度低于预定冷却剂温度时，排气催化装置温度相对低，排气催化装置中的化学反应是不活跃的，因此仅仅产生微量的热。因此，基于在排气催化装置中化学反应的不存在而根据第一模型公式((1)’和(2))估计的排气催化装置温度不会与实际的排气催化装置温度有很大不同。然而，如果冷却剂温度高于预定冷却剂温度，排气催化装置温度相对高，排气催化装置中的化学反应是活跃的，这增加了所产生的热的量。因此，使用第二模型公式((1)”和(2))估计的排气催化装置温度包括由化学反应产生的热，因而非常接近实际的排气催化装置温度。根据该类型的预定条件，如果当发动机被重新起动时冷却剂温度高于预定冷却剂温度，则使用第二模型公式估计排气催化装置温度。在该情况下，冷却剂温度例如可被用于式(2)的所述先前的排气催化装置温度T_n-1的初始值。

此外，排气催化装置温度还可被确定为低于这样的预定温度，其中步骤102的预定条件为基于另一任意条件。此时同样地，排气催化装置温度相对低，排气催化装置中的化学反应是不活跃的，因此仅仅产生微量的热，因此，基于在排气催化装置中由化学反应产生的热的不存在而根据第一模型公式((1)’和(2))估计的排气催化装置温度不会与实际的排气催化装置温度相差很大。

然而，在排气催化装置温度估计设备(即，电子控制设备的算术处理单元)不仅计算当前排气催化装置温度而且还负责涉及例如对空燃比的控制和对点火时机的控制的其他算术处理的情况下，与当算术处理单元中的其他算术处理的负荷小时相比，在负荷大时可以使步骤102的预定条件更容易得到满足。

结果，如果算术处理单元上的其他算术处理的负荷大，该预定条件容易得到满足，并且根据第一模型公式((1)’和(2))估计排气催化装置温度，这时仅仅需要小的算术处理负荷，而当算术处理单元上的其他算术处理的负荷小时，满足预定条件具有较大的难度，并且基于需要大的算术处理负荷的由化学反应产生的热的存在而根据第二模型公式((1)”和(2))估计相对精确的排气催化装置温度。由此，抑制了算术处理单元上的算术处理总负荷超过可允许的值。

此外，如果假设对于该预定条件通过连续地使用第一模型公式预定次数而没有估计出排气催化装置温度，则当已经使用仅仅需要小算术处理负荷的第一模型公式连续地对排气催化装置温度估计了预定次数时，然后使用需要大算术处理负荷的基于由化学反应产生的热的存在的第二模型公式而估计排气催化装置温度仅仅一次，在这之后重复上述过程。由此，可以以规则的间隔估计相对精确的排气催化装置温度，同时减小了算术处理单元上的算术处理负荷。

第一模型公式不局限于式(1)’和(2)，且第二模型公式不局限于上述式(1)”和(2)。第一模型公式仅仅需要是使用加载催化剂之前的承载体而根据经验确定的模型公式，以便针对与废气状态对应的参数计算没有由化学反应产生的热的排气催化装置温度；而第二模型公式仅仅需要是使用加载有催化剂的排气催化装置而根据经验确定的模型公式，以便针对与废气状态对应的参数计算基于由化学反应产生的热的存在的排气催化装置温度。

此外，在第一模型公式和第二模型公式中的与废气状态对应的参数不局限于发动机速度Ne、燃料喷射时间TA以及燃烧空燃比AF，而是可以使用例如流入排气催化装置中的废气的温度和吸入空气量来替代发动机速度Ne和燃料喷射时间TA。

然而，如果没有由化学反应产生热，则可以根据下列式(3)计算排气催化装置温度的温度增加速率dT/dt：

C1·dT/dt＝Q_heat+Q_rad+Q_other1            (3)

这里，C1表示没有加载催化剂的承载体的热容。Q_heat表示排气催化装置的发热量，并可被确定为n·TG(气体温度)*VG(质量流速)。Q_rad为被排气催化装置辐射的热量。此外，Q_other1为在该情况下使用的调整项。在第一模型公式中，作为该类型的一般物理公式，还可以针对与废气状态对应的参数而计算在不存在由化学反应产生的热的情况下的排气催化装置温度。

相比而言，在存在由化学反应产生的热的情况下，可以根据下式(4)计算排气催化装置温度的温度增加速率dT/dt：

C2·dT/dt＝Q_st+Q_heat+Q_rad+Q_other2           (4)

这里，C2表示加载有催化剂的排气催化装置的热容。Q_st表示催化反应的热，而Q_other2为在该情况下使用的调整项。在第二模型公式中，作为该类型的一般物理公式，也可以针对与废气状态对应的参数而计算在存在由化学反应产生的热的情况下的排气催化装置温度。