JP2007309208A - 触媒温度推定装置ならびに該装置を有する車両 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブオーバーラップを実現可能な給排気機構を有する内燃機関において、停止中の触媒温度を推定するにあたり、推定の精度を向上する。
【解決手段】前回停止後の経過時間と、前回停止時点におけるオーバーラップ量とに基づいて、前記触媒の温度を推定する。オーバーラップが実行されている場合には、吸気ポートからシリンダ内に導入された混合気のうち一部が、シリンダ内に滞留することなしに排気ポートに排出される。このため、この場合の排気温度は、オーバーラップが実行されていない場合に比べて低いと考えられ、またオーバーラップ量が多いほど低いと考えられる。したがってオーバーラップ量を考慮することによって推定の精度を向上できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気系に設けられた触媒の温度を推定する触媒温度推定装置、およびこれを含んで構成された車両に関し、特に吸排気弁のオーバーラップが考慮されたものに関する。

内燃機関の排気経路中に設けられる触媒が、その浄化性能が温度に依存して異なることは良く知られている。内燃機関の停止中における触媒の温度を推定する方法は種々試みられている。例えば特許文献１が開示する技術では、前回停止時の吸入空気量を考慮した温度初期値と、内燃機関の停止時間と、所定の温度減衰係数とに基づいて触媒の温度を推定している。また、特許文献２が開示する技術では、前回停止時の吸気管内絶対圧およびエンジン回転数を考慮した温度初期値と、内燃機関の停止時間と、外気温との温度差に応じて設定される冷却係数とに基づいて、触媒の温度を推定している。

特開２００３−２０６７９１号公報 特開２００４−３６４３１号公報

他方、吸排気弁がいずれも開いているオーバーラップを実現可能なバルブタイミング可変機構を搭載したエンジンにおいては、内燃機関の停止後の温度の低下の度合いが、内燃機関の停止時点においてオーバーラップが実行されているか否か、あるいはそのオーバーラップ量に応じて異なることが判明した。これは、オーバーラップが実行されているか否か、あるいはそのオーバーラップ量に応じて、排気温度が異なることに起因するものと考えられる。しかしながら、内燃機関の停止中の触媒温度を推定するにあたり、バルブオーバーラップを考慮する従来の技術は存在しない。

そこで本発明の目的は、触媒の温度を推定するにあたり、その精度を向上することにある。

本発明の第１の態様は、内燃機関の吸排気弁がいずれも開いているオーバーラップを実現可能な吸排気機構と、前記内燃機関の排気通路中に設置された触媒と、前記触媒の温度を推定する触媒温度推定手段と、を備えた内燃機関の触媒温度推定装置であって、前記触媒温度推定手段は、前記内燃機関が停止している場合に、前回停止後の経過時間と、前回停止時点におけるオーバーラップ量とに基づいて、前記触媒の温度を推定することを特徴とする触媒温度推定装置である。

吸排気弁がいずれも開いているオーバーラップが実行されている場合には、吸気ポートからシリンダ内に導入された混合気のうち一部が、シリンダ内に滞留することなしに排気ポートに排出される。このため、この場合の排気温度は、オーバーラップが実行されていない場合に比べて低いと考えられ、またオーバーラップ量が多いほど低いと考えられる。したがって、本発明では、内燃機関が停止している場合に、前回停止後の経過時間と、内燃機関の停止の時点におけるオーバーラップ量とに基づいて、触媒の温度を推定することにより、推定の精度を向上することが可能になる。

前記触媒温度推定手段は、前記オーバーラップ量が小さいほど、推定される触媒温度を高くするのが好適である。この場合には、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。

本発明に係る触媒温度推定装置は、所定の停止条件が満たされた場合に前記内燃機関を停止させる停止手段と、前記内燃機関の停止後、所定の再始動条件が満たされると前記内燃機関を再始動させる再始動手段と、を備えた車両に特に好適に適用することができる。このような車両は、内燃機関のみを駆動源とするエコラン車（アイドルストップ車）のほか、内燃機関と他の駆動源とを有するハイブリッド車を含む。

本発明の好適な実施形態につき、以下に説明する。図１において、本発明の第１実施形態に係るエンジン１は、筒内直噴式の４気筒ガソリンエンジンであって、シリンダブロック１ａの内部にシリンダ２が形成され、その中にピストン３が摺動可能に挿入されている。

ピストン３はコンロッド４によりクランクシャフト５に連結されている。ピストン３は燃費や燃焼効率を高めるために、バルブリセスに代えてピストンヘッド３ａの中央に凹部３ｂが設けられている。シリンダヘッド６は全気筒に共通とされており、その内部には気筒ごとに、吸気ポート７および排気ポート８が形成され、また吸気弁９および排気弁１０が、図示しないバルブスプリングを介してセットされている。吸気ポート７には燃料噴射弁１２が設けられ、吸気ポート７からその上流側のエアフローメータ１４まで延びる吸気マニホールドを含む吸気通路１３の一部には、スロットルアクチュエータ１５ａによって制御されるスロットル弁（吸気絞り弁）１５が設けられている。

吸排気弁９，１０を駆動するカムシャフト９ａ，１０ａには、バルブタイミング可変機構（Variable Valve Timing system;以下ＶＶＴという）１１が設けられている。ＶＶＴ１１は、クランクシャフト５の回転に対するカムシャフト９ａ，１０ａの回転の位相を変化させて、吸排気弁９，１０の開閉タイミングを連続的に変更するための機構であり、油圧によって駆動される。

エンジンの排気経路には、触媒装置３１が設けられている。触媒装置３１は例えば、白金、ロジウム、パラジウム等の触媒成分とセリウムやランタン等の添加物とを担持した三元触媒であり、排ガス中のＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）およびＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化する。一般に触媒装置３１の浄化性能は温度に依存して異なり、その活性温度は例えば３００°Ｃ以上である。

電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）３０は、その詳細は図示しないが、各種演算処理を行うＣＰＵ、制御プログラムや各制御変数の初期値などを格納したＲＯＭ、制御プログラムやデータを一時的に保持するＲＡＭ、入出力ポート、Ａ／ＤおよびＤ／Ａ変換器ならびに記憶装置等を含んで構成されている。

ＥＣＵ３０には、上述したエアフローメータ１４と、運転者によって操作されるアクセルペダル１６に関連して設けられたアクセル開度センサ１６ａと、クランクシャフト５の一部に対向して設けられたクランク角センサ１７と、吸気通路１３内に設けられた吸気温センサ１８と、排気マニホールドに設けられたＡ／Ｆ（空燃比)センサ２０と、シリンダブロック１ａに設置され冷却水温を検出する水温センサ２１と、図示しない駆動輪に隣接して設けられた車速センサ２２と、車体に設けられた外気温センサ２３と、車室内に操作可能に設けられたエコランスイッチ２４と、図示しないブレーキペダルに関連して設けられたブレーキペダルセンサ２５とからの各出力信号が入力される。エコランスイッチ２４は、自動停止を許容する場合にドライバの選択操作によってオンされる。

ＥＣＵ３０からの制御信号によって、前述のＶＶＴ１１、燃料噴射弁１２、スロットル弁１５、点火プラグ３１等が制御されるようになっている。燃料タンク３２からの燃料は、図示しない燃料ポンプによって加圧され、燃料噴射弁１２へ供給される。

こうして構成された本実施形態の車両では、ＥＣＵ３０により車両の状態に応じてエンジンを自動停止および自動再始動する自動停止再始動制御が行なわれている。自動停止は、燃費向上とエミッション改善等を目的として「停車中であること」を含む停止条件によって行われる。停止条件は、例えば「車両が停止状態」かつ「アクセルオフ」（アクセルペダル１６が踏み込まれていない状態）かつ「ブレーキオン」（ブレーキペダルが踏み込まれている状態）である。車両が停止状態か否かは、車速センサ２２により検出される車輪速から演算される車速ｖにより判定され、アクセルペダル１６やブレーキペダルの踏み込み状態は、アクセルペダルセンサ１６ａにより検出されるアクセル開度やブレーキペダルセンサ２５により検出されるブレーキペダル踏み込み角度に基づいて判定される。このような自動停止制御は、例えば市街地走行中における交差点での信号待ち状態や踏切での列車の通過待ち状態のときに作動する。自動再始動は、再始動条件が成立した場合に実行され、この再始動条件は、上記停止条件が一つでも成立しなくなった場合、例えば交差点での信号待ち状態から運転者が走行を再開すべくブレーキペダルから足を離したときに成立する。

ＥＣＵ３０のＲＯＭには、図２に示されるような減衰係数マップが格納されている。この減衰係数マップでは、停止後の経過時間ｔと、オーバーラップ量ＶＶＴａと、減衰係数ｋとの関係が設定されている。オーバーラップ量が小さいときほど、触媒温度は高くなるため、減衰係数ｋは、オーバーラップ量が小さいほど漸増するように設定されている。換言すれば、オーバーラップ量が大きいときには、減衰係数ｋはエンジン停止後に迅速に減少する。

以上のとおり構成された本実施形態における自動停止再始動制御について、図３に従って説明する。図３の処理ルーチンは、例えば図示しないイグニッションキーがオンされ、且つエコランスイッチ２４がオンされている間、所定時間ごとに繰返し実行される。まず、ＥＣＵ３０は、上述した停止条件が成立したか否かを判断する（Ｓ１０）。そして停止条件が成立した場合には、エンジンが自動停止される（Ｓ２０）。このエンジンの自動停止の結果、ＥＣＵ３０の制御によりエンジンに対する燃料噴射がカットされると共に、図示しないクラッチが断状態とされ、エンジンは駆動輪および変速機からフリーとなって停止する。

次に、触媒温度が後述のサブルーチンによって推定（算出）される（Ｓ３０）。次に、上述した所定の再始動条件が成立しているかが判断される（Ｓ４０）。この再始動条件が未成立の場合には、触媒温度の推定が所定時間おきに繰り返し実行される。

ステップＳ４０で肯定、つまり再始動条件が成立した場合には、エンジンが再始動され（Ｓ５０）、本ルーチンを抜ける。エンジンの再始動は、ＥＣＵ３０によりスロットル弁１５、燃料噴射弁１２および不図示のスタータモータが動作されることによって実行される。

次に、上記ステップＳ３０で実行される触媒温度推定処理につき、図４に従って説明する。図４の処理はＥＣＵ３０により、エンジンの停止中に実行される。

まず、上述した各センサの検出値に基づいて、エンジン停止時触媒温度Ｔｉｎｉ、外気温Ｔａ、およびエンジン停止時点におけるオーバーラップ量ＶＶＴａが読み込まれる（Ｓ１１０）。エンジン停止時触媒温度Ｔiniは、水温センサ２１によって検出されるエンジン水温、クランク角センサ１７によって検出されるエンジン回転数Ｎｅ、およびこのエンジン回転数Ｎｅとエアフローメータ１４からの吸入空気量Ｑとに基づいて算出される機関負荷（Ｑ／ＮＥ）に基づいて、所定のマップによって所定時間おきに推定（算出）されるが、専用の触媒温度センサを触媒装置３１に設置して検出してもよい。外気温Ｔａは外気温センサ２３によって検出されるが、吸気温センサ１８の検出値から推定してもよい。オーバーラップ量ＶＶＴａは、本発明に係る制御とは別途の可変バルブタイミング制御によって、エアフローメータ１４によって検出された吸入空気量と、クランク角センサ１７によって検出されたエンジン回転数などに基づいて、機関負荷に応じて設定される。オーバーラップ量は０から１まで漸進的に変化する連続量であってもよく、また０（オーバーラップ実行なし）または１（オーバーラップ実行あり）の２段階またはその中間値を含む多段階に変化する離散量であってもよい。このオーバーラップ量の算出処理はＥＣＵ３０において行ってもよいし、別個の電子制御ユニットにおいて算出されたオーバーラップ量を取得してもよい。

次に、上述した減衰係数マップの参照によって、減衰係数ｋが算出される（Ｓ１２０）。具体的には、エンジン停止時点におけるオーバーラップ量ＶＶＴａと、ＥＣＵ３０が別途の計時処理によってカウントしているエンジン停止後の経過時間とによって、減衰係数マップが参照され、これによって現在の減衰係数ｋが算出される。

そして、触媒温度Ｔcatが次の数式（１）によって算出される（Ｓ１３０）。ここでＴcatは触媒温度、Ｔiniはエンジン停止時触媒温度、Ｔａは外気温、ｋは減衰係数である。
Ｔcat＝（Ｔini−Ｔa）＊ｋ＋Ｔａ ・・・（１）
以上の自動停止再始動処理および触媒温度推定処理の結果、エンジンの自動停止および再始動が行われると共に、再始動の際の触媒温度の推定が精度よく行われることになる。

以上のとおり、本実施形態では、内燃機関が停止している場合に、前回停止後の経過時間と、エンジン停止の時点におけるオーバーラップ量ＶＶＴａとに基づいて、触媒の温度を推定することにより、推定の精度を向上することが可能になる。

また本実施形態では、エンジンの停止の時点におけるオーバーラップ量が小さいほど、推定される触媒温度を高くしたので、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。

なお、図５に示されるように、内燃機関の前回停止後の経過時間が十分に長い時には、触媒温度はオーバーラップ量によらず、ほぼ一定値（例えば、外気温度から所定範囲内）に収束すると考えられる。したがって、推定される触媒温度をオーバーラップ量に応じて異ならせる処理は、触媒温度が所定値未満のときにのみ行うこととしてもよい。このような処理は、例えば、ＥＣＵ３０が触媒温度の推定を行う場合に、内燃機関の前回停止後の経過時間が所定値Ｔthr（図２参照）未満であるかを判定し、所定値Ｔthr未満である場合には減衰係数ｋを減衰係数マップに従って算出し、経過時間が所定値Ｔthr以上である場合には減衰係数マップを参照せずｋ＝１とすることによって、容易に実現することができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明に係る触媒温度の推定は、エンジン停止時間が比較的長くなるハイブリッド車両に特に好適に適用できるものである。第２実施形態は、本発明をハイブリッド車両に適用したものである。

図６において、エンジン１０１の出力軸は、モータジェネレータ１０２に接続されており、モータジェネレータ１０２の出力軸は、トルクコンバータ１０３に接続され、トルクコンバータ１０３の出力軸は、自動変速機１０４に接続されている。すなわちエンジン１０１の動力とモータジェネレータ１０２の動力とをトルクコンバータ１０３を介して自動変速機１０４に出力できるように構成されている。エンジン１０１はＶＶＴ１１１を有する。上記構成は例として挙げたものであり他の構成であっても本発明は適用可能である。

エンジン１０１およびＶＶＴ１１１は、上述した第１実施形態におけるエンジン１およびＶＶＴ１１と同様のものである。モータジェネレータ１０２は、電気的エネルギを回転運動等の運動エネルギに変化して出力するモータ機能と伝達された動力エネルギを電気エネルギに変換する発電機能を併せ持つ。トルクコンバータ１０３は、駆動部材のトルクを流体により従動部材に伝達させるもので例えば図示しないがポンプインペラに一体化されたフロントカバーとタービンライナを一体に取付けたハブと、ロックアップクラッチからなる。自動変速機１０４は、歯車変速機部と油圧制御部とからなり、入力回転数と出力回転数の比（変速比）を自動で適宜変更することのできる装置であって、有段式の変速機や、変速比を連続式に変化させることのできる無段変速機等がある。

モータジェネレータ１０２にはインバータ１０５を介してバッテリ１０６が接続されている。インバータ１０５は、モータジェネレータ１０２に対する電流及び周波数を制御し、またモータジェネレータ１０２で発電する際の電流を制御するように構成されている。そしてそれらの制御を行うためにコントローラ１０７が設けられている。このコントローラ１０７は、例えば、エンジン１０１の始動要求、発進要求及び制動要求に従ってインバータ１０５及びバッテリ１０６を制御するように構成されている。

エンジン１０１、モータジェネレータ１０２、トルクコンバータ１０３、自動変速機１０４、バッテリ１０６等には、各種センサが設けられており、そのセンサの検出信号は、ＥＣＵ１３０に送られる。ＥＣＵ１３０は、マイクロコンピュータで構成され、エンジン１等に制御信号を送り、車速信号やアクセル開度信号、ＳＯＣ（State Of Charge;充電状態）信号等の検出信号に基づいてトルクコンバータ１０３のスリップ率や自動変速機１０４の変速比等を制御する。

ＥＣＵ１３０のＲＯＭには、上記第１実施形態におけるものと同様の減衰係数マップ（図２）が格納されている。この減衰係数マップでは、減衰係数ｋは、オーバーラップ量が小さいほど漸増するように設定されている。

エンジン１０１の排気経路には、触媒装置１３１が設けられている。触媒装置１３１は上記第１実施形態における触媒装置３１と同様のものである。

本実施形態の車両は、ＥＣＵ１３０の駆動源切り替え制御により、車両発進時や低速走行時にはモータジェネレータ１０２をモータとして機能させモータ出力のみで走行する。通常走行時には、エンジン１０１を始動させてエンジン出力で走行する。上坂路や加速時のようにエンジン１０１に高負荷がかかる時にはエンジン１０１に加えモータジェネレータ１０２をモータとして機能させ両動力源より走行する。車両減速時や制動時には、エンジン１０１を停止させると共に、モータジェネレータ１０２を発電機として機能させ、バッテリ１０６に電力を回生する。さらにバッテリ１０６のＳＯＣが低下した場合には、エンジン１０１を始動させ又その出力を増大させ、エンジン出力をモータジェネレータ１０２で電力に変換してバッテリ１０６に充電する。

このような駆動源切り替え制御において、エンジン１０１が停止状態から再始動される場合には、触媒温度推定処理が行われる。この触媒温度推定処理の内容は、上述した第１実施形態におけるもの（図４）と同様である。すなわち、ＥＣＵ１３０によってエンジン停止時触媒温度Ｔｉｎｉ、外気温Ｔａ、およびエンジン停止時点におけるオーバーラップ量ＶＶＴａが読み込まれ、上述した減衰係数マップの参照によって、減衰係数ｋが算出され、そして、触媒温度Ｔcatが上記数式（１）によって算出される。このようにして算出された触媒温度Ｔcatは、エンジン１０１の再始動の際に用いられる。

以上のとおり、本実施形態では、エンジン１０１が停止している場合に、前回停止後の経過時間と、エンジン停止の時点におけるオーバーラップ量ＶＶＴａとに基づいて、触媒の温度を推定することにより、推定の精度を向上することが可能になる。

また本実施形態では、エンジン１０１の停止の時点におけるオーバーラップ量が小さいほど、推定される触媒温度を高くしたので、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。

なお、上記各実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。例えば、上記各実施形態で推定された触媒温度は、エンジンの自動停止再始動制御以外の制御、例えば燃料噴射量や空燃比の制御においても広く利用できる。また、上記各実施形態では本発明を内燃機関のみによって駆動される車両や、内燃機関とモータジェネレータとによって駆動される車両に適用したが、本発明は他の種類の駆動源を有するハイブリッド車にも適用できる。

また本発明は内燃機関の自動停止と自動再始動を行う機能を有しない車両におけるエンジン停止中の触媒温度の推定にも利用できる。また、本発明は４サイクルガソリンエンジン以外の液体燃料や気体燃料をエネルギ源とするエンジン、あるいは所謂ポート噴射式のエンジン等の他の形式の内燃機関について適用することも可能であって、いずれも本発明の範疇に属するものである。

本発明の第１実施形態を示す概略構成図である。 減衰係数マップの構成例を示すグラフである。 第１実施形態における自動停止再始動処理を示すフロー図である。 第１実施形態における触媒温度推定処理を示すフロー図である。 エンジン停止後の触媒温度の推移を示すグラフである。 本発明の第２実施形態を示す概略構成図である。

符号の説明

８ 排気ポート
９ 吸気弁
１０ 排気弁
１１，１１１ 可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）
１２ 燃料噴射弁
３０，１３０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (3)

1. 内燃機関の吸排気弁がいずれも開いているオーバーラップを実現可能な吸排気機構と、前記内燃機関の排気通路中に設置された触媒と、前記触媒の温度を推定する触媒温度推定手段と、を備えた内燃機関の触媒温度推定装置であって、
   前記触媒温度推定手段は、前記内燃機関が停止している場合に、前回停止後の経過時間と、前回停止時点におけるオーバーラップ量とに基づいて、前記触媒の温度を推定することを特徴とする触媒温度推定装置。
2. 請求項１に記載の触媒温度推定装置であって、
   前記触媒温度推定手段は、前記オーバーラップ量が小さいほど、推定される触媒温度を高くすることを特徴とする触媒温度推定装置。
3. 請求項１または２に記載の触媒温度推定装置を有する車両であって、
   所定の停止条件が満たされた場合に前記内燃機関を停止させる停止手段と、
   前記内燃機関の停止後、所定の再始動条件が満たされると前記内燃機関を再始動させる再始動手段と、を更に備えたことを特徴とする車両。
   

Images