JP2009299538A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の始動時における排気ガスセンサの被水による素子割れを抑制しつつ内燃機関の始動時からエミッションを低減できる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関のシリンダ内で圧縮された空気の圧縮熱により排気系の温度を上昇させるために、内燃機関の始動前にクランクシャフトを回転駆動し、排気ガスセンサの周りの温度が排気ガスに含まれる水蒸気を凝結させない非凝結温度に達したかを判断し、排気ガスセンサの周りの温度が非凝結温度に達したと判断した後に、ヒータを起動させ、ヒータの起動後に内燃機関にシリンダへ燃料を供給して始動させる、構成とした。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の排気系には、例えば、酸素センサや空燃比センサ等の排気ガスセンサが取り付けられている。この排気ガスセンサは、エンジン始動直後からヒータへの通電により暖機されるが、排気ガスに含まれる水蒸気が凝縮して温度上昇した排気ガスセンサに付着すると素子割れが発生する可能性がある。

このため、例えば、特許文献１は、エンジンの始動時の冷却水温が設定温度に到達したところで、排気ガスセンサに内蔵されたヒータへの通電を開始し、外気温が外気温判定値より低い場合には上記設定温度を高くし、エンジン始動時の冷却水温と外気温度の差が大きい場合には、上記設定温度をさらに高くする。また、排気系に取り付けられた排気ガスセンサ周辺の水（液体）が存在しなくなるまで、ヒータへの通電開始を遅らせるという、排気ガスセンサの被水対策を実施している。

特開２００５−１０５９６０号公報

ところで、エンジンが始動後に排気管内の凝縮水（液体）が存在しなくなるまで排気ガスセンサのヒータへの通電開始時期を遅らせると、排気ガスセンサの検出信号に基くフィードバック制御の開始時期が大幅に遅延し、エミッションの放出量が増加するという問題がある。具体的には、排気ガスセンサのヒータへの通電開始が遅れると、触媒の前に設けられた空燃比センサや触媒の後方に設けられた酸素センサの活性化が遅れ、排気ガスセンサに基づく空燃比フィードバック補正制御の開始が遅れ、空燃比のずれを修正できずにエミッションの排出量が基準値からはずれてしまう。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、内燃機関の始動時における排気ガスセンサの被水による素子割れを抑制しつつ内燃機関の始動時からエミッションを低減できる内燃機関の制御装置を提供することにある。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、排気系に設けられた排気ガスセンサと、前記排気ガスセンサを活性化するためのヒータとを備える内燃機関の制御装置であって、内燃機関のシリンダ内で圧縮された空気の圧縮熱により前記排気系の温度を上昇させるために、内燃機関の始動前にクランクシャフトを回転駆動するモータリング手段と、前記排気ガスセンサの周りの温度が排気ガスに含まれる水蒸気を凝結させない非凝結温度に達したかを判断する判断手段と、前記排気ガスセンサの周りの温度が前記非凝結温度に達したと判断した後に、前記ヒータを起動させるヒータ起動手段と、を有する。

上記構成において、前記ヒータの起動後に内燃機関にシリンダへ燃料を供給して始動させる制御手段をさらに有する構成を採用できる。

上記構成において、前記モータリング手段により前記クランクシャフトを回転駆動させる際に、前記圧縮熱の効率が最も高くなるように、内燃機関のシリンダ内への流入空気量を制御する制御手段をさらに有する構成を採用できる。

上記構成において、前記内燃機関は、内燃機関その吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングが可変な可変バルブタイミング機構を備え、前記モータリング手段による前記クランクシャフトの回転駆動中に吸気バルブを閉鎖させる制御手段をさらに有する構成を採用できる。

上記構成において、前記内燃機関は、内燃機関その吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングが可変な可変バルブタイミング機構を備え、前記モータリング手段による前記クランクシャフトの回転駆動中に、シリンダ内の圧縮熱効率が高まるように吸気弁バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを制御する制御手段をさらに有する構成を採用できる。

上記構成において、前記判断手段は、内燃機関の吸気系の吸入空気量と圧縮熱とに基いて、前記排気ガスセンサの周りの温度が前記非凝結温度に達したかを判断する構成を採用できる。

上記構成において、前記判断手段は、内燃機関の始動前の冷却水温度と始動後の冷却水温度とに基づいて、前記排気ガスセンサの周りの温度が前記非凝結温度に達したかを判断する構成を採用できる。

上記構成において、前記判断手段は、内燃機関の始動前の潤滑油温度と始動後の潤滑油温度とに基づいて、前記排気ガスセンサの周りの温度が前記非凝結温度に達したかを判断する構成を採用できる。

上記構成において、前記判断手段は、外部環境条件に応じて、前記非凝結温度の高さを調節する構成を採用できる。

本発明によれば、内燃機関の始動時における排気ガスセンサの被水による素子割れを抑制しつつ内燃機関の始動時からエミッションを低減できる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明の内燃機関の制御装置が適用される車両の一例としてハイブリット車両の概略構成図、及び、図２は図１の車両の内燃機関（以下、エンジンともいう。）の概略構成図である。

この車両２０は、エンジン２２、エンジン用電子制御ユニット（エンジンＥＣＵ）２４、クランキング手段としてのモータ／ジェネレータＭＧ１、モータ／ジェネレータＭＧ２、動力分配統合機構３０、減速ギア３５、モータ電子制御ユニット（モータＥＣＵ）４０、インバータ４１，４２、バッテリ５０、ギア機構６０、ハイブリッド用電子制御ユニット（ＥＣＵ）７０等を備えている。

エンジン２２は、そのクランクシャフト２６がダンパ２８を介して動力分配統合機構３０のキャリア３４に連結されている。

動力分配統合機構３０は、モータ／ジェネレータＭＧ１のロータと連結されたサンギア３１、サンギア３１の外周に同心状に配置されると共に減速ギア３５の出力側と連結されたリングギア３２、サンギア３１とリングギア３２とに噛合いするピニオンギア３３、ピニオンギア３３を保持するキャリア３４等から構成され、リングギア３２に連結されたリングギア軸３２ａは、減速ギア３５の出力側に接続されていると共に、ギア機構６０の入力ギヤに連結されている。

モータ／ジェネレータＭＧ２は、そのロータが減速ギアの入力側に接続されている。

エンジン２２の出力軸であるクランクシャフト２６の回転は、モータ／ジェネレータＭＧ１及びギヤ機構６０及びディファレンシャルギア６２を介して駆動輪６３ａ，６３ｂに分配されるようになっている。

また、モータ／ジェネレータＭＧ２の回転は、減速機３５を介してリングギア軸３２ａに出力され、ギア機構６０及びディファレンシャルギア６２を介して駆動輪６３ａ，６３ｂに入力可能になっている。

インバータ４１，４２は、バッテリ５０の直流を３相交流に変換してモータ／ジェネレータＭＧ１、ＭＧ２にそれぞれ供給すると共に、モータ／ジェネレータＭＧ１，ＭＧ２で発電された３相交流を直流に変換してバッテリ５０へ供給できるようになっている。

モータＥＣＵ４０は、モータ／ジェネレータＭＧ１，ＭＧ２にそれぞれ設けられた回転位置検出センサ４３，４４からの信号に基づいて、インバータ４１，４２を駆動し、モータ／ジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を回転制御する。

バッテリ５０は、モータ／ジェネレータＭＧ１で発電された電力を蓄え、発進時、加速時、登坂時等にモータ／ジェネレータＭＧ２へ電力を供給し、減速時にモータ／ジェネレータＭＧ２で回生発電した電力を蓄える。バッテリ５０は、２００ボルト程度の電圧で電力の供給及び充電を行う。

バッテリＥＣＵ５２は、バッテリ５０に設けられた温度センサ５１からの信号等に基づいて、バッテリ５０の充電状態の監視を行う。

サブバッテリ５３は、補機類や後述するＶＶＴ１５０を駆動する電力を供給する。このサブバッテリ５３は、バッテリＥＣＵ５２よりも低電圧であり、例えば、１２Ｖ程度である。

ハイブリットＥＣＵ７０は、ＣＰＵ７２、ＲＯＭ７４、ＲＡＭ７６等のハードウエアと所要のソフトウエアで構成され、イグニションスイッチ８０、シフトレバー８１に設けられたシフトポジションセンサ８２、アクセルペダル８３に設けられたアクセルポジションセンサ８４、ブレーキペダル８５に設けられたブレーキペダルセンサ８６、車速センサ８８等からの信号が入力され、運転状態に応じたエンジン２２の出力及びモータトルクを求め、各ＥＣＵへ要求値を出力することにより、駆動力を制御する等の機能を備えている。また、空燃比センサ１００、酸素センサ２００、図示しないクランクポジションセンサ、エンジンの冷却水の温度を検出する水温センサ２５０、カムポジションセンサ２６０、スロットルバルブポジションセンサ２７０、エアフローメータ２８０、エンジンオイルの温度を検出する温度センサ２９０等からの信号が入力され、始動時及び走行中における各種制御を総合的に管理する。なお、ハイブリッドＥＣＵ７０は、モータリング手段、判断手段、ヒータ起動手段等を構成する。

エンジン２２は、図示しないが、シリンダブロックに形成された燃焼室の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室内でピストンを往復移動させることにより動力を発生する。本実施形態では、エンジン２２は、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。

エンジン２２のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁と、排気ポートを開閉する排気弁とが気筒ごとに配設され、各吸気弁および各排気弁はカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグが気筒ごとに取り付けられている。

さらに、吸気通路、特に吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）が気筒ごとに配設される。インジェクタから噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁の開弁時に燃焼室に吸入され、ピストンで圧縮され、点火プラグで点火燃焼させられる。

図２に示すように、エンジン２２の各気筒の排気ポートの下流側には排気管２２Ｅが接続されており、排気管２２Ｅには、二つの触媒２３Ａ及び２３Ｂが離隔して取り付けられている。触媒２３Ａの上流側には排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ１００が設けられ、触媒２３Ｂの下流側には排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ２００が設けられている。空燃比センサ１００及び酸素センサ２００は、これらを活性化するためのヒータを内蔵している。

シリンダヘッド上には、可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）１５０が設けられている。ＶＶＴ１５０は、吸気バルブ側および排気バルブ側のカムシャフトの位相をエンジンＥＣＵ２４からの指令に応じて可変する。

このＶＶＴ１５０に対しては、図示しない電動モータ及びその駆動回路が設けられている。すなわち、ＶＶＴ１５０は、エンジンの状態に関係なく位相可変可能な電動式の可変バルブタイミング機構である。

エンジンＥＣＵ２４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のハードウエアと所要のソフトウエアで構成され、ハイブリッドＥＣＵ７０に入力されるセンサ信号と同じ信号が入力され、スロットルモータ、イグニションコイル、ＶＶＴ１５０等に制御信号を出力する。

次に、上記ハイブリットＥＣＵ７０による始動時の制御の一例について図３に示すフローチャートを参照して説明する。尚、図３に示す処理ルーチンは所定時間毎に実行される。

先ず、モータ／ジェネレータＭＧ１を駆動して、内燃機関の始動前にクランクシャフトを回転駆動するモータリングを実施する（ステップＳ１）。これにより、エンジンのシリンダ内で圧縮された空気の圧縮熱により排気系の温度を上昇させる。尚、このとき、エンジン２２の吸気系から導入される空気量と空気圧縮熱による排気管２２Ｅの壁面温度との間には、例えば、図４に示すような関係にあり、排気管２２Ｅの壁面温度を効率よく上昇させるための最適な空気量が存在する。このため、スロットルバルブを制御して最適な空気量となるように制御する。

次いで、空燃比センサ１００及び／又は酸素センサ２００の周りの温度が排気ガスに含まれる水蒸気を凝結させない非凝結温度に達したか、すなわち、センサ周辺の温度が露点温度を越えているかを判断する（ステップＳ２）。露点温度を越えていない場合には処理を終了し、越えている場合には、空燃比センサ１００及び／又は酸素センサ２００に内蔵されたヒータへの通電を開始する（ステップＳ３）。

次いで、空燃比センサ１００及び／又は酸素センサ２００が活性化したかを判断する（ステップＳ４）。この判断は、例えば、センサの素子アドミタンス値が所定値を超えた場合には活性とする等の公知の手法を用いることができる。活性化していない場合には、処理を終了し、活性化していると判断される場合には、燃料をシリンダ内に供給するとともに点火してエンジンを始動させる（ステップＳ５）。

次に、図５ないし図７を参照して、空燃比センサ１００及び／又は酸素センサ２００の周りの暖機が完了したかの判断方法の他の例について説明する。

図５に示す方法では、上記と同様に、モータ／ジェネレータＭＧ１を駆動して、内燃機関の始動前にクランクシャフトを回転駆動するモータリングを実施する（ステップＳ１１）。このとき、モータリング中にシリンダ内に吸入された空気量に、実圧縮比に基く圧縮熱効率を掛け合わせて積算空気量を算出する（ステップＳ１２）。この積算空気量は、排気管２２Ｅの壁面温度上昇と相関を有するので、積算空気量が所定値を超えたかを判断し（ステップＳ１３）、超えている場合には、センサ付近の暖機が完了（水蒸気を凝結させない非凝結温度に達している）と判断し（ステップＳ１４）、超えていない場合には、センサ付近の暖機は未完了と判断する（ステップＳ１５）。

図６に示す方法では、上記と同様に、モータ／ジェネレータＭＧ１を駆動して、内燃機関の始動前にクランクシャフトを回転駆動するモータリングを実施する（ステップＳ２１）。このとき、モータリング開始時のエンジンの冷却水の水温を検出して記憶する（ステップＳ２２）。そして、モータリング開始時のエンジンの冷却水の水温と現在の水温との偏差を計算する（ステップＳ２３）。

計算した偏差、すなわち、水温上昇量は排気管２２Ｅの壁面温度上昇と相関を有するので、この偏差が所定値を超えたかを判断する（ステップＳ２４）。超えている場合には、センサ付近の暖機が完了（水蒸気を凝結させない非凝結温度に達している）と判断し（ステップＳ２５）、超えていない場合には、センサ付近の暖機は未完了と判断する（ステップＳ２６）。

図７に示す手法では、図６の場合の冷却水の水温に変えて、エンジンの潤滑油（エンジンオイル）の油温に基いて同様の判断をする（ステップＳ３１〜Ｓ３６）。エンジンフリクションによる摩擦熱からエンジンオイルの温度が上昇することを利用して、排気管２２Ｅの壁面温度上昇を推定する。

図８に示すフローチャートはさらに他の実施形態である。図８に示す処理ルーチンは所定時間毎にハイブリットＥＣＵ７０により実行される。

モータ／ジェネレータＭＧ１を駆動して、内燃機関の始動前にクランクシャフトを回転駆動するモータリングを実施する（ステップＳ４１）。このとき、大気圧を検出する（ステップＳ４２）。大気圧が低いほど露点温度は低下するので、例えば、高地などを走行中には、露点温度は低下する。このため、例えば、図９に示すように、大気圧と排気管内の凝縮水の消滅時間との間には相関関係が存在する。したがって、現在の露点温度（メモリに記憶されている値）を検出した大気圧に基いて補正する（ステップＳ４３）。

次いで、センサ周辺の温度が露点温度を越えているかを判断する（ステップＳ４４）。露点温度が補正されて低下した場合には、センサ周辺の温度が露点温度に達するまでの時間は早まる。

次いで、上記と同様に、露点温度を越えていない場合には処理を終了し、越えている場合には、空燃比センサ１００及び／又は酸素センサ２００に内蔵されたヒータへの通電を開始し（ステップＳ４５）、空燃比センサ１００及び／又は酸素センサ２００が活性化したかを判断し（ステップＳ４６）、活性化していると判断される場合には、燃料をシリンダ内に供給するとともに点火してエンジンを始動させる（ステップＳ４７）。

このように、大気圧に基いて露点温度を補正することで、エンジンの起動タイミングを早めることができる。

図１０は本発明の他の実施形態を示しフローチャートであって、シリンダ内の実圧縮比を向上させる方法を示している。尚、図１０の処理ルーチンは所定時間毎にハイブリットＥＣＵ７０により実行される。

図１０に示す方法では、ステップＳ５２及びＳ５３以外は、上記と同様の処理なので詳細説明を省略する。

モータリングの際、ステップＳ５２において、ＶＶＴ１５０のバルブタイミングを最適化し、実圧縮比を上昇させる（ステップＳ５３）。具体的には、図１１に示すバルブタイミングを基準タイミングとすると、例えば、図１２に示すように、吸気弁を閉じるタイミングを基準タイミングよりも早める。これにより、下死点で早閉じし吸入した空気をできるだけシリンダ内に留め、圧縮熱を高める。さらに、図１３に示すように、排気弁の開放タイミングを基準タイミングよりも早める。これにより、温度上昇した空気を早開きすることで、素早く排気系に排出し、圧縮熱を効率良く排気系に流入させることができる。なお、本実施形態では、吸気弁及び排気弁の双方のタイミングを調整したが、いずれか一方のみでもよい。

図１４は本発明のさらに他の実施形態を示しフローチャートであって、モータリングの際の圧縮熱効率を向上させる方法を示している。尚、図１４の処理ルーチンは所定時間毎にハイブリットＥＣＵ７０により実行される。

図１４に示す方法では、ステップＳ６２及びＳ６３以外は、上記と同様の処理なので詳細説明を省略する。

ステップＳ６２では、吸気弁を閉じるとともに、図１３において説明したように、ＶＶＴ１５０の排気バルブのタイミングを最適化する。吸気弁を閉じると、新気がシリンダに流入するのを抑制でき、圧縮熱を効率的に排気系に流入させる。これにより、圧縮熱効率が上昇する（ステップＳ６３）。

図１５は本発明のさらに他の実施形態を示しフローチャートであって、モータリングの際の圧縮空気量を向上させる方法を示している。尚、図１５の処理ルーチンは所定時間毎にハイブリットＥＣＵ７０により実行される。

図１５に示す方法では、ステップＳ７３及びＳ７４以外は、上記と同様の処理なので詳細説明を省略する。

モータリングの際、ステップＳ７３において、スロットルバルブの開度を開いて圧縮する空気量を増加（最適化）させる（図４も参照）。すなわち、圧縮熱効率の最も高い空気量に設定する。これにより、圧縮空気量が増加し（ステップＳ７４）、圧縮空気熱を最大限に引き出すことができる。

上記実施形態では、ハイブリッド車両に適用した場合を例示したが、これに限定されるわけではなく、動力源として内燃機関のみを備える車両においても、モータリングが可能であれば本発明は適用可能である。

本発明の内燃機関の制御装置が適用される車両の一例としてハイブリット車両の概略構成図である。 図１の車両の内燃機関の概略構成図である。 ハイブリットＥＣＵによる始動時の制御の一例を示すフローチャートである。 エンジンの吸気系から導入される空気量と空気圧縮熱による排気管の壁面温度との相関を示すグラフである。 ハイブリットＥＣＵによる始動時の制御の他の例を示すフローチャートである。 ハイブリットＥＣＵによる始動時の制御のさらに他の例を示すフローチャートである。 ハイブリットＥＣＵによる始動時の制御のさらに他の例を示すフローチャートである。 ハイブリットＥＣＵによる始動時の制御のさらに他の例を示すフローチャートである。 大気圧と排気管内の凝縮水の消滅時間との間の相関を示すグラフである。 ハイブリットＥＣＵによる始動時の制御のさらに他の例を示すフローチャートである。 ＶＶＴの基準タイミングを示す図である。 ＶＶＴの吸気弁の早閉じタイミングを示す図である。 ＶＶＴの吸気弁の早閉じおよび排気弁の早開きタイミングを示す図である。 ハイブリットＥＣＵによる始動時の制御のさらに他の例を示すフローチャートである。 ハイブリットＥＣＵによる始動時の制御のさらに他の例を示すフローチャートである。

符号の説明

２０…車両
２２…エンジン
２４…エンジンＥＣＵ
７０…ハイブリッドＥＣＵ
ＭＧ１，ＭＧ２…モータ／ジェネレータ

Claims (9)

1. 排気系に設けられた排気ガスセンサと、前記排気ガスセンサを活性化するためのヒータとを備える内燃機関の制御装置であって、
   内燃機関のシリンダ内で圧縮された空気の圧縮熱により前記排気系の温度を上昇させるために、内燃機関の始動前にクランクシャフトを回転駆動するモータリング手段と、
   前記排気ガスセンサの周りの温度が排気ガスに含まれる水蒸気を凝結させない非凝結温度に達したかを判断する判断手段と、
   前記排気ガスセンサの周りの温度が前記非凝結温度に達したと判断した後に、前記ヒータを起動させるヒータ起動手段と、
   を有する内燃機関の制御装置。
2. 前記ヒータの起動後に内燃機関にシリンダへ燃料を供給して始動させる制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記モータリング手段により前記クランクシャフトを回転駆動させる際に、前記圧縮熱の効率が最も高くなるように、内燃機関のシリンダ内への流入空気量を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記内燃機関は、内燃機関その吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングが可変な可変バルブタイミング機構を備え、
   前記モータリング手段による前記クランクシャフトの回転駆動中に吸気バルブを閉鎖させる制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記内燃機関は、内燃機関その吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングが可変な可変バルブタイミング機構を備え、
   前記モータリング手段による前記クランクシャフトの回転駆動中に、シリンダ内の圧縮熱効率が高まるように吸気弁バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを制御する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記判断手段は、内燃機関の吸気系の吸入空気量と圧縮熱とに基いて、前記排気ガスセンサの周りの温度が前記非凝結温度に達したかを判断することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記判断手段は、内燃機関の始動前の冷却水温度と始動後の冷却水温度とに基いて、前記排気ガスセンサの周りの温度が前記非凝結温度に達したかを判断することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記判断手段は、内燃機関の始動前の潤滑油温度と始動後の潤滑油温度とに基いて、前記排気ガスセンサの周りの温度が前記非凝結温度に達したかを判断することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記判断手段は、外部環境条件に応じて、前記非凝結温度の高さを調節することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。

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