JP2004340102A - 内燃機関の触媒劣化抑制装置 - Google Patents

内燃機関の触媒劣化抑制装置 Download PDF

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Abstract

【課題】良好な車両減速を実現して触媒高温時における触媒劣化を抑制することができる内燃機関の触媒劣化抑制装置を提供する。
【解決手段】車両減速時において機関排気系に配置された触媒装置が設定温度以上である時に、内燃機関におけるフューエルカットを禁止すると共に、車両駆動軸６に連結された第一のモータ・ジェネレータＭＧ２を発電機として作動させて蓄電装置８を充電する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の触媒劣化抑制装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機関排気系には排気ガスを浄化するための触媒装置が配置されている。触媒装置に担持された貴金属触媒等の触媒は、高温時において酸素過剰の雰囲気に晒されるとシンタリングを起こして劣化する。
【０００３】
機関減速時において、一般的には、フューエルカットが実施されるが、触媒高温時においてフューエルカットを実施すると、リーン状態の排気ガスによって前述したように触媒劣化を引き起こすために、触媒高温時には、機関減速時であってもフューエルカットを禁止することが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２５２５３２号公報
【特許文献２】
特開２００１−５９４４４号公報
【特許文献３】
特開平１０−２８０９９０号公報
【特許文献４】
特開平１１−１０７８２５号公報
【特許文献５】
特開平１０−２４８１１４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術において、フューエルカットが禁止された時に、内燃機関は吸入空気量を機関停止しない最小限として運転するとしているが、これでは、フューエルカット時に比較してエンジンブレーキが不十分となり、良好な車両減速を実現することができない。
【０００６】
従って、本発明の目的は、良好な車両減速を実現して触媒高温時における触媒劣化を抑制することができる内燃機関の触媒劣化抑制装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置は、車両減速時において機関排気系に配置された触媒装置が設定温度以上である時に、内燃機関におけるフューエルカットを禁止すると共に、車両駆動軸に連結された第一のモータ・ジェネレータを発電機として作動させて蓄電装置を充電することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置は、請求項１に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置において、前記フューエルカットが禁止される時に、前記内燃機関は前記内燃機関の出力軸トルクが０となるようにして運転することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項３に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置において、前記フューエルカットが禁止される時に、自動変速機によるシフトダウンによって前記内燃機関の回転数を高めることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項４に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置において、前記フューエルカットが禁止される時に、前記内燃機関の出力軸に連結された第二のモータ・ジェネレータを電動機として作動させて前記内燃機関の回転数を高めることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項５に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置は、請求項４に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置において、前記第二のモータ・ジェネレータは、電動機として前記蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による請求項６に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置は、請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置において、前記蓄電装置の充電量が設定値に達した時には、前記第一のモータ・ジェネレータの発電機としての作動を停止して、前記内燃機関において前記フューエルカットを開始することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による請求項７に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置において、前記蓄電装置の充電量が設定値に達した時には、前記第一のモータ・ジェネレータの発電機としての作動を停止して、前記内燃機関は吸入空気量を機関停止しない最小限として運転することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による触媒劣化抑制装置が取り付けられる内燃機関の駆動系を示す概略図である。同図において、１は内燃機関であり、１ａは内燃機関１の出力軸である。内燃機関１は、例えば、ガソリンエンジンであり、理論空燃比での運転を実施する。機関吸気系に設けられたスロットル弁は、アクセルペダルに機械的に連結されているものではなく、ステップモータ等のアクチュエータによって自由に開度制御可能なものである。機関排気系には、排気ガスを浄化するための触媒装置として三元触媒コンバータが配置されている。ＭＧ２は第一のモータ・ジェネレータであり、ＭＧ１は第二のモータ・ジェネレータである。
【００１５】
内燃機関１、ＭＧ１、ＭＧ２は、公知の三軸式動力入出力装置２に連結されている。三軸式動力入出力装置２は、最内側のサンギヤ２ａ、サンギヤ２ａに噛合する複数のプラネタリギヤ２ｂ、及び、プラネタリギヤ２ｂに噛合する最外側のリングギヤ２ｃを具備している。ＭＧ１の回転子はサンギヤ２ａに接続され、内燃機関１の出力軸１ａは複数のプラネタリギヤ２ｂの中心軸線を回転可能に支持するリング状のプラネタリキャリア２ｄに接続され、ＭＧ２の回転子はリングギヤ２ｃに接続されている。
【００１６】
このような構成を可能とするために、本実施形態においては、ＭＧ１の回転子及びサンギヤ２ａと、回転子とサンギヤ２ａとを接続する接続軸とは、内燃機関１の出力軸１ａが貫通するために中空とされている。また、リングギヤ２ｃには動力取り出しギヤ２ｅが取り付けられ、この動力取り出しギヤ２ｅと、動力伝達ギヤ３とがチェーンベルト４により連結されている。動力伝達ギヤ３は、ディファレンシャルギヤ５に噛合して車両駆動軸６へ動力を伝達する。
【００１７】
ＭＧ１及びＭＧ２は同期電動発電機として構成されており、それぞれの回転子には永久磁石が取り付けられ、また、それぞれの固定子に巻回された三相コイルが、インバータを有する制御装置７を介して、蓄電装置としてのバッテリ８に電気的に接続されている。三相コイルによって形成される磁界を制御装置７により制御して、ＭＧ１及びＭＧ２のそれぞれを、バッテリ８に蓄えられた電気エネルギを使用して三軸式動力入出力装置２へトルクを発生する電動機として、また、三軸式動力入出力装置２からのトルクを使用してバッテリ８を充電する発電機として機能させることができる。
【００１８】
三軸式動力入出力装置２における三軸（サンギヤ２ａ、プラネタリキャリア２ｄ、及びリングギヤ２ｃ）における回転数及びトルクの関係は、図２に示す共線図を使用すれば簡単に表すことができる。図２において、縦軸は三軸の回転数を示し、横軸は三軸の座標位置を示している。サンギヤ２ａの座標をＳとし、リングギヤの座標をＲとした時には、プラネタリキャリア２ｄの座標Ｃは、ＳとＲを１：ρに内分する位置となる。ここで、ρは、リングギヤ２ｃの歯数ｎｒに対するサンギヤの歯数ｎｓの比であり、すなわち、ρ＝ｎｓ／ｎｒである。
【００１９】
現在において、内燃機関１の回転数、すなわち、プラネタリキャリア２ｄの回転数がＮｅであり、リングギヤ２ｃの回転数がＮｒである時には、図２において、点（Ｃ，Ｎｅ）と点（Ｒ，Ｎｒ）とを通る直線（動作共線）を描くと、この直線上の座標Ｓに対する回転数Ｎｓがサンギヤ２ａの回転数となる。ここで、プラネタリキャリア２ｄの回転数Ｎｅが低い時には、サンギヤ２ａの回転数が０より小さくなり、すなわち、サンギヤ２ａは逆回転することもある。三軸の回転数には、このような関係があるために、任意の二軸の回転数に基づき残り一軸の回転数を決定することができる。
【００２０】
トルクに関しては、内燃機関１のトルク、すなわち、プラネタリキャリア２ｄのトルクＴｅが座標Ｃにおいて動作共線に作用し、このトルクＴｅを座標Ｓ及びＲにおいて動作共線に作用するトルクＴｅｓとＴｅｒとに分離する。トルクＴｅｓ及びＴｅｒは、それぞれ次式により表される。
Ｔｅｓ＝Ｔｅ＊ρ／（１＋ρ）
Ｔｅｒ＝Ｔｅ＊１／（１＋ρ）
【００２１】
動作共線が、この状態で安定するためには、動作共線の力の釣り合いをとれば良い。すなわち、座標Ｓにおいては、Ｔｅｓと大きさが同じで反対向きのトルクＴｍ１を作用させ、座標Ｒにおいては、リングギヤ２ｃから出力されるトルクＴｒと大きさが同じで反対向きのトルクとなるように、Ｔｅｒに加えてトルクＴｍ２を作用させる。トルクＴｍ１はＭＧ１により発生し、トルクＴｍ２はＭＧ２により発生する。この時において、トルクＴｍ１は、プラネタリキャリア２ｄのトルクＴｅと反対向きであるために、ＭＧ１は発電機として動作することとなり、トルクＴｍ１と回転数Ｎｓとの積で表される電気エネルギＰｍ１をバッテリ８へ回生する。一方、トルクＴｍ２は、プラネタリキャリア２ｄのトルクＴｅと同じ向きであるために、ＭＧ２は電動機として動作することとなり、トルクＴｍ２と回転数Ｎｒとの積で表される電気エネルギＰｍ２をバッテリ８から消費する。ここで、内燃機関１のトルクＴｅと回転数Ｎｅとの積と、リングギヤ２ｃから出力されるトルクＴｒと回転数Ｎｒとの積とが等しくなれば、ＭＧ１における回生電気エネルギＰｍ１とＭＧ２における消費電気エネルギＰｍ２とが等しくなり、すなわち、車両は内燃機関１のトルクだけによって走行することとなる。
【００２２】
内燃機関１は効率の高い状態で運転され、この時にリングギヤ２ｃからの出力トルクが図２に示すように必要トルクより小さければ、ＭＧ２は電動機として機能してトルクアシストを実施し、リングギヤ２ｃからの出力トルクが必要トルクより大きければ、ＭＧ２は発電機として機能して不必要なトルクを電気エネルギとして回生する。こうして、内燃機関１は非常に低燃費で運転することが可能となる。また、車両加速時において、内燃機関１を加速すると燃費が悪化するために、この時にもＭＧ２を電動機として機能させる。ＭＧ１は、スタータモータとしても機能する。
【００２３】
ところで、車両減速時において、一般的には、内燃機関１ではフューエルカットを実施してエンジンブレーキを発生させると共に燃料消費を低減する。しかしながら、機関排気系に設けられている触媒装置が、例えば、７００°Ｃ以上の高温である時に、フューエルカットに伴うリーン状態の排気ガス（空気）が触媒装置へ流入すると、触媒装置に担持されている貴金属触媒はシンタリングを起こして劣化してしまう。本発明は、この触媒劣化を抑制することを意図し、制御装置７が触媒劣化抑制装置として内燃機関１、ＭＧ１、及びＭＧ２を制御する。
【００２４】
図３は、車両減速時におけるアクセルペダルの踏み込み量Ｌ、内燃機関１のトルクＴｅ、内燃機関の回転数Ｎｅ、及び、触媒装置の温度、すなわち、触媒温度ＴＭの変化を示すタイムチャートである。時刻ｔ１において、アクセルペダルが開放され、アクセルペダルの踏み込み量が０となると、スロットル弁により吸入空気量を急激に減少させる。それにより、実際的には多少の遅れがあるが、内燃機関１のトルクＴｅも急激に減少する。内燃機関１の出力軸のトルクＴｅは、内燃機関１の自身フリクション等を相殺して、丁度０となるまで減少させられ、その後は、０を維持して推移するように、機関回転数を考慮してスロットル弁により吸入空気量が制御される。
【００２５】
内燃機関１のトルクＴｅを０とする運転によって車両は減速するが、フューエルカットを実施した時ほど大きなエンジンブレーキを発生させることはできず、良好な車両減速を意図して、車両駆動軸６へリングギヤ２ｃ等を介して連結されたＭＧ２を発電機として作動し、車両駆動軸６へ負荷を作用させて車両を十分に減速させる。
【００２６】
こうして、ＭＧ２により発電された電気エネルギはバッテリ８に蓄えられることとなるが、無制限にバッテリ８を充電させることはできず、バッテリ８の充電量が設定値に達した時には、ＭＧ２を発電機として作動することはできなくなる。この時点で車両減速が殆ど完了していれば問題ないが、依然として車両減速を持続しなければならない時には、内燃機関においてフューエルカットを開始する。又は、内燃機関において、図３に点線で示すように、出力軸のトルクＴｅとしては０より低く、自身慣性力を利用して機関停止しないように吸入空気量を最小限として運転する。
【００２７】
前述した内燃機関の出力軸トルクＴｅを０とする運転は、機関停止しないように吸入空気量を最小限とする運転に比較して、吸入空気量を多くすることができ、それにより、排気ガス量が多くなって触媒装置を比較的良好に冷却することが可能であり、バッテリ８の充電量が設定値に達するまでには、触媒温度を高温判断の閾値ＴＭ’より低くすることができる。それにより、フューエルカットを開始しても触媒劣化は発生しない。また、内燃機関を、機関停止しないように吸入空気量を最小限として運転させる場合には、排気ガスの空燃比がリーンとはならないために、触媒装置が依然として高温度であったとしても、触媒劣化を防止することができる。この一方で、フューエルカット時に比較してエンジンブレーキ力は小さくなり、車両減速性は多少犠牲にされる。
【００２８】
内燃機関１のトルクＴｅを低下させると、実際的には多少の遅れがあるが、内燃機関１の回転数Ｎｅは点線のように低下することとなる。本実施形態では、内燃機関１のトルクＴｅの低下と同時に、内燃機関１の出力軸１ａにサンギヤ２ａ及びプラネタリギヤ２ｂ等を介して連結されたＭＧ１を電動機として作動させ、トルクＴｅは低下しても内燃機関１の回転数Ｎｅは低下しないようにしている。もちろん、この場合には、スロットル弁を開弁してスロットル弁を通過する単位時間当たりの吸入空気量は増大させられる。１サイクル当たりの吸入空気量は変化しないために、吸気弁の開弁期間及びリフト量の少なくとも一方によって吸入空気量が制御される場合には、これらを特に変化させる必要はない。それにより、内燃機関１の回転数Ｎｅを低下させない時刻ｔ２までにおいて、触媒装置へはリーンではない多量の排気ガスが流入するために、触媒装置の温度ＴＭを急激に低下させることができる。
【００２９】
その後に、内燃機関１の回転数Ｎｅを低下させても、点線で示す内燃機関１のトルクＴｅの低下と同時に回転数Ｎｅを低下させる場合に比較して、実線で示すように、触媒装置の温度ＴＭを時刻ｔ３において高温判断の閾値ＴＭ’まで早期に低下させることができる。それにより、時刻ｔ３以降においては、触媒劣化を心配することなく内燃機関１においてフューエルカットを開始することができ、大きなエンジンブレーキを発生させて良好な車両減速が実現可能である。
【００３０】
また、ＭＧ１を電動機として作動することにより、バッテリ８の電気エネルギは消費されてＭＧ２の発電によりバッテリ８が過充電となる可能性を低減することができ、ＭＧ２を発電機として使用可能な期間を延長することが可能となる。
【００３１】
本実施形態において、トルクＴｅの低下時において内燃機関１の回転数Ｎｅを低下しないようにしたが、もちろん、ＭＧ１を電動機として作動して僅かでも内燃機関１の回転数Ｎｅを高めれば、触媒装置の冷却及びバッテリ８の過充電防止に効果がある。しかしながら、ＭＧ１によって内燃機関１の回転数をできる限り高めることが好ましい。
【００３２】
本実施形態では三軸式動力入出力装置２が使用されているが、これは本発明を限定するものではなく、ＭＧ１としては、車両駆動軸に直接的又はギヤ等を介して間接的に連結されたモータ・ジェネレータであれば良く、ＭＧ２としては、内燃機関の出力軸に、直接的又はギヤ等を介して間接的に連結されたモータ・ジェネレータであれば良い。また、ＭＧ１が設けられていなくても、自動変速機が設けられている場合には、自動変速機のシフトダウンによって、トルクＴｅを０としたまま内燃機関１の回転数を高めるようにしても、多量の排気ガスによって触媒装置を良好に冷却することができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明による内燃機関の触媒劣化抑制装置は、車両減速時において機関排気系に配置された触媒装置が設定温度以上である時に、内燃機関におけるフューエルカットを禁止すると共に、車両駆動軸に連結された第一のモータ・ジェネレータを発電機として作動させて蓄電装置を充電するようになっている。それにより、高温度の触媒装置にはリーン状態の排気ガスが流入しないために触媒劣化を抑制することができ、また、フューエルカットを実施しないために大きなエンジンブレーキを発生させることはできないが、第一のモータ・ジェネレータが発電機として作動されて車両駆動軸に負荷を作用するために、良好な車両減速も実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による触媒劣化抑制装置が取り付けられる内燃機関の駆動系を示す概略図である。
【図２】三軸式動力入出力装置における回転数及びトルクの関係を示す共線図である。
【図３】車両減速時におけるアクセルペダルの踏み込み量Ｌ、内燃機関のトルクＴｅ、内燃機関の回転数Ｎｅ、及び、触媒装置の温度ＴＭの変化を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１…内燃機関
２…三軸式動力入出力装置
ＭＧ２…第一のモータ・ジェネレータ
ＭＧ１…第二のモータ・ジェネレータ
７…制御装置
８…バッテリ

Claims (7)

  1. 車両減速時において機関排気系に配置された触媒装置が設定温度以上である時に、内燃機関におけるフューエルカットを禁止すると共に、車両駆動軸に連結された第一のモータ・ジェネレータを発電機として作動させて蓄電装置を充電することを特徴とする内燃機関の触媒劣化抑制装置。
  2. 前記フューエルカットが禁止される時に、前記内燃機関は前記内燃機関の出力軸トルクが０となるようにして運転することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置。
  3. 前記フューエルカットが禁止される時に、自動変速機によるシフトダウンによって前記内燃機関の回転数を高めることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置。
  4. 前記フューエルカットが禁止される時に、前記内燃機関の出力軸に連結された第二のモータ・ジェネレータを電動機として作動させて前記内燃機関の回転数を高めることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置。
  5. 前記第二のモータ・ジェネレータは、電動機として前記蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置。
  6. 前記蓄電装置の充電量が設定値に達した時には、前記第一のモータ・ジェネレータの発電機としての作動を停止して、前記内燃機関において前記フューエルカットを開始することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置。
  7. 前記蓄電装置の充電量が設定値に達した時には、前記第一のモータ・ジェネレータの発電機としての作動を停止して、前記内燃機関は吸入空気量を機関停止しない最小限として運転することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置。
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