JP2015218713A

JP2015218713A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2015218713A
Application number: JP2014105451A
Authority: JP
Inventors: 善仁菅野; Yoshihito Sugano; 鈴木　直人; Naoto Suzuki; 直人鈴木; 木下　剛生; Takeo Kinoshita; 剛生木下; 太輔泉岡; Daisuke Izuoka; 泰毅森田; Yasutake Morita
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2015-12-07

Abstract

【課題】始動時に吸気ポートや燃焼室に付着する燃料を低減でき、始動時の排気エミッションを低減可能な内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】本発明の制御装置は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が排気浄化触媒１８として排気通路１４に設けられ、かつ理論空燃比よりリーンの空燃比で運転可能な内燃機関１０に適用される。本発明の制御装置は、内燃機関１０の始動時に、排気浄化触媒１８に吸蔵されているＮＯｘ量が所定の判定量未満であり、かつ排気浄化触媒１８の温度が所定の活性温度域内である場合、内燃機関１０の始動時の空燃比が理論空燃比よりリーンの空燃比になるように内燃機関１０を始動可能な範囲内で内燃機関１０に供給する燃料量を調整する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が排気通路に設けられ、かつ理論空燃比よりリーンの空燃比で運転可能な内燃機関に適用される制御装置に関する。

排気の空燃比が理論空燃比よりリーンの空燃比のときに窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵し、排気の空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりリッチ側の空燃比のときに吸蔵しているＮＯｘを放出して排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）成分を用いてそのＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、ＮＯｘ触媒と略称することがある。）が知られている。このようなＮＯｘ触媒が排気通路に設けられた内燃機関に適用される制御装置として、始動時に内燃機関に供給する燃料量の増量値をＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が多いほど増加させる制御装置が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２、３が存在する。

特開２００６−１３２５０６号公報特開２０１３−０４７４６７号公報特開２００７−１３８７５７号公報

始動時に内燃機関の温度が低い場合、吸気ポートや燃焼室に付着した燃料が気化し難くなる。空燃比が理論空燃比よりもリーンになるように、内燃機関を始動可能な範囲内で燃料量を低減することにより、吸気ポートや燃焼室に付着する燃料量を低減できる。しかしながら、特許文献１には、このような燃料の付着を考慮して燃料量を調整していない。

そこで、本発明は、始動時に吸気ポートや燃焼室に付着する燃料を低減でき、始動時の排気エミッションを低減可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の制御装置は、排気の空燃比が理論空燃比よりリーンであり、かつ所定の活性温度域内においてＮＯｘの吸蔵性能を発揮するＮＯｘ吸蔵還元触媒が排気通路に設けられ、かつ前記理論空燃比よりリーンの空燃比で運転可能な内燃機関に適用され、前記内燃機関に供給する燃料量を調整する燃料量調整手段を備えた制御装置において、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘ量を取得するＮＯｘ量取得手段と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を取得する温度取得手段と、をさらに備え、前記燃料量調整手段は、前記内燃機関の始動時に、前記ＮＯｘ量取得手段により取得されたＮＯｘ量が所定の判定量未満であり、かつ前記温度取得手段により取得された前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が前記活性温度域内である場合、前記内燃機関の始動時の空燃比が前記理論空燃比よりリーンの空燃比になるように前記内燃機関を始動可能な範囲内で前記内燃機関に供給する燃料量を調整する（請求項１）。

本発明の制御装置によれば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が判定量未満であり、かつＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が活性温度域内である場合には、内燃機関の空燃比が理論空燃比よりリーンになるように燃料量を調整する。この場合、内燃機関に供給される燃料量が低減されるので、内燃機関の吸気ポートや気筒内に付着する燃料を低減できる。そのため、排気微粒子（ＰＭ、ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）の量を低減できる。また、このように燃料量を調整することにより、排気中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵できる。したがって、始動時の排気エミッションを低減できる。さらに、このように燃料量を調整することにより、燃料消費量を低減できる。

本発明の一形態に係る制御装置が組み込まれた内燃機関が搭載された車両を概略的に示す図。ＥＣＵが実行する始動時噴射制御ルーチンを示すフローチャート。

以下、本発明の制御装置をハイブリッド車両に搭載された内燃機関に適用した一形態を説明する。図１は、ハイブリッド車両１を概略的に示している。車両１は、内燃機関（以下、エンジンと称することがある。）１０と、第１モータ・ジェネレータ（以下、第１ＭＧと略称することがある。）２と、第２モータ・ジェネレータ（以下、第２ＭＧと略称することがある。）３とを備えている。エンジン１０は、４つの気筒１１が一方向に並べられた直列４気筒の火花点火式の４サイクル内燃機関として構成されている。また、エンジン１０は、理論空燃比よりもリーンの空燃比で運転可能なエンジン、いわゆるリーンバーンエンジンとして構成されている。

第１ＭＧ２及び第２ＭＧ３は、ハイブリッド車両に搭載されて電動機及び発電機として機能する周知のものである。そのため、これらの詳細な説明を省略する。エンジン１０の出力軸１２、第１ＭＧ２の出力軸２ａ、及び第２ＭＧ３の出力軸３ａは、動力分割機構４に接続されている。動力分割機構４は、エンジン１０、第１ＭＧ２、及び第２ＭＧ３の接続状態を切り替えてエンジン１０、第１ＭＧ２、及び第２ＭＧ３の出力の伝達先を切り替える周知のものである。動力分割機構４には、例えば遊星歯車機構等が用いられる。動力分割機構４からの出力は、デファレンシャル機構等の伝達機構５を介して駆動輪６に伝達される。

エンジン１０の各気筒１１には、吸気通路１３及び排気通路１４がそれぞれ接続されている。吸気通路１３には、吸気を濾過するためのエアフィルタ１５及び吸気量を調整するためのスロットルバルブ１６が設けられている。吸気通路１３は、各気筒１１の吸気ポート１３ａを含んでいる。各吸気ポート１３ａには、インジェクタ１７が設けられている。インジェクタ１７は、吸気ポート１３ａ内に燃料を噴射可能な周知のものである。

排気通路１４には、排気を浄化するための排気浄化触媒１８が設けられている。この排気浄化触媒１８としては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＯｘ触媒）が設けられている。このＮＯｘ触媒は、触媒の温度が所定の活性温度域内であり、かつ排気の空燃比が理論空燃比よりリーンの場合に排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気の空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりリッチの場合に吸蔵しているＮＯｘを放出するとともにそのＮＯｘを排気中のＨＣ、ＣＯ成分を用いて還元浄化する周知のものである。そのため、詳細な説明は省略する。

エンジン１０及び各ＭＧ２、３は、電子制御装置（ＥＣＵ）２０にて制御される。ＥＣＵ２０は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を含んだコンピュータユニットとして構成されている。ＥＣＵ２０は、車両１を適切に走行させるための各種制御プログラムを保持している。ＥＣＵ２０は、これらのプログラムを実行することによりエンジン１０及び各ＭＧ２、３等の制御対象に対する制御を行っている。ＥＣＵ２０は、例えばエンジン１０の停止時にエンジン１０を始動すべき所定の始動条件が成立した場合、エンジン１０が始動されるように第１ＭＧ２を制御する。また、ＥＣＵ２０は、例えばエンジン１０の回転数及び負荷等に基づいて各気筒１１に供給すべき燃料量を算出し、算出した燃料量の燃料が各気筒１１に供給されるように各インジェクタ１７の動作を制御する。ＥＣＵ２０には、車両１に係る情報を取得するための種々のセンサが接続されている。ＥＣＵ１０には、例えばエアフローメータ２１、冷却水温センサ２２、床温センサ２３、及びＡ／Ｆセンサ２４等が接続されている。エアフローメータ２１は、吸気量に対応した信号を出力する。冷却水温センサ２２は、エンジン１０の冷却水の温度に対応した信号を出力する。床温センサ２３は、排気浄化触媒１８の温度に対応した信号を出力する。Ａ／Ｆセンサ２４は、排気の空燃比（Ａ／Ｆ）に対応した信号を出力する。ＥＣＵ２０には、この他にも車両１の速度（車速）に対応した信号を出力する車速センサ及びアクセル開度に対応した信号を出力するアクセル開度センサ（いずれも不図示）等の種々のセンサやスイッチ等が接続されているが、それらの図示は省略した。

次にＥＣＵ２０が実行する制御の一部について説明する。この車両１には、第２ＭＧ３のみで駆動輪６を駆動するＥＶモード、及び主にエンジン１０で駆動輪６を駆動し、車両１への要求駆動力が大きい場合には第２ＭＧ３でアシストするハイブリッドモード等が走行モードとして設けられている。ＥＣＵ２０は、車両１の走行状態に応じて車両１の走行モードを切り替える。具体的には、ＥＣＵ２０は、車速が所定の判定速度未満の場合に走行モードをＥＶモードに切り替え、車速が判定速度以上の場合に走行モードをハイブリッドモードに切り替える。なお、この走行モードの切替方法は、ハイブリッド車両に適用される周知の切替方法と同じである。そのため、切替方法の詳細な説明は省略する。

走行モードをハイブリッドモードからＥＶモードに切り替える場合、ＥＣＵ２０はエンジン１０を停止させる。一方、走行モードをＥＶモードからハイブリッドモードに切り替える場合には、ＥＣＵ２０はエンジン１０を始動する。図２は、エンジン１０を始動する際に各インジェクタ１７を制御するためにＥＣＵ２０が実行する始動時噴射制御ルーチンを示している。この制御ルーチンは、エンジン１０の停止時に所定の周期で繰り返し実行される。

この制御ルーチンにおいてＥＣＵ２０は、まずステップＳ１１で所定の始動条件が成立したか否か判定する。この始動条件は、例えば上述したように走行モードをＥＶモードからハイブリッドモードに切り替える場合、すなわち車速が判定速度未満から判定速度以上になった場合に成立したと判定される。始動条件が不成立と判定した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。

一方、始動条件が成立したと判定した場合はステップＳ１２に進み、ＥＣＵ２０は車両１の状態を取得する。車両１の状態としては、吸気量、エンジン１０の冷却水の温度、排気浄化触媒１８の温度、排気の空燃比、車速、及びアクセル開度などが取得される。また、この処理では、排気浄化触媒１８に吸蔵されているＮＯｘ量（以下、ＮＯｘ吸蔵量と称することがある。）、燃焼室内の温度、車両１の始動後のエンジン１０の延べ運転時間、車両１の始動後のエンジン１０の再始動回数、直近のエンジン１０の運転時間、及び直近のエンジン１０の停止時間も取得される。なお、車両１の始動後とは、今回ドライバが車両１のスタートボタンやスタートキー等を操作して車両１の走行準備を完了した後のことである。

ＥＣＵ２０は、この制御ルーチンとは別のルーチンにおいてＮＯｘ吸蔵量を表すカウンタの値をエンジン１０の運転状態に応じて増減している。周知のように、エンジン１０から排出されるＮＯｘ量は、燃料噴射量、機関回転数、及び吸気量等に基づいて推定できる。そして、排気浄化触媒１８に吸蔵されるＮＯｘ量は、排気流量、触媒に流入する排気のＮＯｘ量、及びＮＯｘ吸蔵量に基づいて推定できる。そこで、排気の空燃比が理論空燃比よりリーンであり、かつ排気浄化触媒１８の温度が活性温度域内の場合には、これらに基づいてカウンタの値を増加させればよい。一方、排気浄化触媒１８から放出されるＮＯｘ量は、排気流量（より詳しくは排気浄化触媒１８に流入するＨＣ、ＣＯ成分の量）及び排気の空燃比に基づいて推定できる。そこで、排気の空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりリッチの場合には、これらに基づいてカウンタの値を減少させればよい。なお、このようなＮＯｘ吸蔵量の推定方法は周知の方法を用いればよいので、詳細な説明は省略する。そして、ＥＣＵ２０は、このカウンタの値をＮＯｘ吸蔵量として取得する。

燃焼室内の温度は、エンジン１０の冷却水の温度に基づいて周知の推定方法で算出すればよい。車両１の始動後のエンジン１０の延べ運転時間、車両１の始動後のエンジン１０の再始動回数、直近のエンジン１０の運転時間、及び直近のエンジン１０の停止時間についても上述したＮＯｘ吸蔵量と同様に、この制御ルーチンとは別のルーチンにおいてこれらの時間や回数をタイマやカウンタでカウントすればよい。そして、この処理では、それらタイマやカウンタの値を取得すればよい。

次のステップＳ１３においてＥＣＵ２０は、エンジン１０に要求される出力を算出する。この出力は、車速及びアクセル開度等に基づいて周知の方法で算出すればよい。続くステップＳ１４においてＥＣＵ２０は、基本噴射量を算出する。この基本噴射量は、エンジン１０の空燃比が理論空燃比になる燃料量である。そのため、基本噴射量は、例えば算出した要求出力及び吸気量等に基づいて周知の方法で算出すればよい。

次のステップＳ１５においてＥＣＵ２０は、ＮＯｘ吸蔵量が予め設定した所定の判定量未満か否か判定する。ＮＯｘ吸蔵量の最大値は、排気浄化触媒１８の容量に応じて定まる。そこで、ＮＯｘ吸蔵量がこの判定量以上の場合には、排気の空燃比を理論空燃比よりリッチにして排気浄化触媒１８からＮＯｘを放出させ、そのＮＯｘを還元浄化する。そして、これによりＮＯｘ吸蔵量が最大値になることを防止する。このように判定量は、排気浄化触媒１８からＮＯｘを放出させるか否か判定する基準として設定される値である。判定量は、例えば排気浄化触媒１８の容量等に応じて適宜に設定すればよい。

ＮＯｘ吸蔵量が判定量以上と判定した場合はステップＳ１６に進み、ＥＣＵ２０はＮＯｘ還元補正係数を算出する。補正係数は、基本噴射量に乗じてインジェクタ１７から噴射すべき燃料量を算出するための係数である。ＮＯｘ還元補正係数は、この補正係数を基本噴射量に乗じて算出される燃料量の燃料をインジェクタ１７から噴射した場合に、排気の空燃比が、排気浄化触媒１８からＮＯｘを放出でき、かつそのＮＯｘを排気中のＨＣ、ＣＯ成分で還元浄化できる空燃比になるように設定される。そのため、排気の空燃比が理論空燃比よりリッチになるように「１」より大きい値が設定される。

一方、ＮＯｘ吸蔵量が判定量未満と判定した場合はステップＳ１７に進み、ＥＣＵ２０は排気浄化触媒１８の温度が活性温度域内か否か判定する。排気浄化触媒１８の温度が活性温度域内の温度であると判定した場合はステップＳ１８に進み、ＥＣＵ２０はリーン補正係数を算出する。リーン補正係数は、この補正係数で補正した燃料量の燃料をインジェクタ１７から噴射した場合に、エンジン１０を始動可能な範囲内すなわちエンジン１０で失火なく燃料を燃焼できる範囲内で排気の空燃比が理論空燃比よりリーンになるように設定される。より具体的には、この範囲内で空燃比が最もリーンになるように設定される。そのため、リーン補正係数には「１」未満の値が設定される。

一方、排気浄化触媒１８の温度が活性温度域外の温度であると判定した場合はステップＳ１９に進み、ＥＣＵ２０は通常補正係数を算出する。通常補正係数は、この補正係数で補正した燃料量の燃料をインジェクタ１７から噴射した場合、空燃比が理論空燃比よりリッチになるように設定される。ただし、この場合には排気浄化触媒１８からＮＯｘを放出させる必要がないため、エンジン１０を速やかに始動できる程度に燃料量が増量補正される。そのため、通常補正係数には「１」より大きい値が設定される。この通常補正係数は、例えば、燃焼室内の温度、車両１の始動後のエンジン１０の延べ運転時間、車両１の始動後のエンジン１０の再始動回数、直近のエンジン１０の運転時間、及び直近のエンジン１０の停止時間に基づいて算出される。例えば、燃焼室内の温度が高いほど、通常補正係数を小さくする。また、直近のエンジン１０の運転時間が長いほど、通常補正係数を小さくする。直近のエンジン１０の停止時間が長いほど、通常補正係数を大きくする。燃焼室内の温度が高い場合、噴射した燃料の気化が促進される。そのため、点火前の燃焼室内をストイキ雰囲気にするために噴射する必要量は小さくなる。また、燃焼室内の温度が高いときに補正係数を必要以上に大きくするとＣＯ、ＨＣ、ＰＭの増加を引き起こす。そこで、このように通常補正係数を算出する。

ステップＳ１６、ステップＳ１８、又はステップＳ１９で補正係数を算出した後はステップＳ２０に進み、ＥＣＵ２０は基本噴射量に補正係数を乗じて燃料量を算出する。続くステップＳ２１においてＥＣＵ２０は噴射制御を実行する。この噴射制御では、算出した燃料量の燃料が各インジェクタ１７から適宜のタイミングで噴射されるように各インジェクタ１７を制御する。

次のステップＳ２２においてＥＣＵ２０は、エンジン１０が始動したか否か判定する。エンジン１０が始動したか否かは、例えばエンジン１０の回転数に基づいて判定すればよい。例えば、エンジン１０の回転数がエンジン１０が完爆状態を得られたときの回転数よりも大きくなった場合にエンジン１０が始動したと判定すればよい。エンジン１０が始動していないと判定した場合はステップＳ１２に戻り、エンジン１０が始動するまでステップＳ１２〜Ｓ２２の処理を繰り返し実行する。一方、エンジン１０が始動したと判定した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。

以上に説明したように、本発明によれば、エンジン１０の始動時にＮＯｘ吸蔵量が判定量未満であり、かつ排気浄化触媒１８の温度が活性温度域内の場合には、エンジン１０の空燃比が理論空燃比よりリーンになるように燃料量を調整する。この場合、エンジン１０に供給される燃料量が低減されるので、始動時に吸気ポート１３ａや気筒１１内に付着する燃料を低減できる。そのため、排気微粒子（ＰＭ）の量を低減できる。また、このように燃料量を調整することにより、排気中のＮＯｘを排気浄化触媒１８に吸蔵できる。したがって、始動時の排気エミッションを低減できる。さらに、このように燃料量を低減することにより、燃料消費量を低減できる。

一方、ＮＯｘ吸蔵量が判定量以上の場合には、空燃比が理論空燃比よりリッチになるように燃料量を調整するので、排気浄化触媒１８からＮＯｘを放出させて還元浄化できる。そのため、排気浄化触媒１８の排気浄化性能を確保できる。そして、ＮＯｘ吸蔵量が判定量未満でも排気浄化触媒１８の温度が活性温度域外の場合には、空燃比が理論空燃比よりリッチになるように燃料量を調整するので、エンジン１０を速やかに始動できる。

なお、上述した形態では、ＮＯｘ吸蔵量が判定量未満であり、かつ排気浄化触媒１８の温度が活性温度域内の場合、エンジン１０を始動可能な範囲内で空燃比が最もリーンになるように燃料量を調整したが、この際の燃料量はこの値に限定されない。エンジン１０を始動可能な範囲内で空燃比が理論空燃比よりリーンになる適宜の燃料量に調整してよい。このように燃料量を調整しても始動時に吸気ポート１３ａや気筒１１内に付着する燃料を低減できるので、ＰＭを低減できる。また、排気中のＮＯｘを排気浄化触媒１８に吸蔵できる。したがって、始動時の排気エミッションを低減できる。また、燃料消費量を低減できる。

なお、上述した形態では、排気浄化触媒１８が本発明のＮＯｘ吸蔵還元触媒に相当する。図２の制御ルーチンを実行することにより、ＥＣＵ２０が本発明の燃料量調整手段として機能する。図２のステップＳ１２を実行することにより、ＥＣＵ２０が本発明のＮＯｘ量取得手段として機能する。また、同ステップＳ１２を実行することにより、床温センサ２３及びＥＣＵ２０が本発明の温度取得手段として機能する。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本発明は、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射型の内燃機関に限定されず、気筒内に直接燃料を噴射する直噴型の内燃機関に適用してもよい。また、ディーゼル内燃機関に本発明を適用してもよい。

本発明が適用される内燃機関が搭載されるハイブリッド車両は、シリーズ型、パラレル型、及びシリーズパラレル型のいずれの形式のハイブリッド車両であってもよい。また、本発明が適用される内燃機関は、ハイブリッド車両に搭載される内燃機関に限定されない。例えば、停車時に内燃機関を停止させ、その停車中にドライバがアクセルペダル等を操作した場合に内燃機関を始動するアイドリングストップ制御が実行される車両の内燃機関に適用してもよい。また、減速時に発電機等で回生発電を行い、その電気をバッテリに充電する車両の内燃機関に本発明を適用してもよい。

本発明が適用される内燃機関の排気通路には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の他に三元触媒等の排気浄化用の触媒やパティキュレートフィルタ等が設けられていてもよい。

上述した形態では、内燃機関の運転状態に基づいてＮＯｘ吸蔵量を推定したが、ＮＯｘ吸蔵量を取得する方法はこの方法に限定されない。例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の前後にＮＯｘセンサを設け、それらＮＯｘセンサの出力信号に基づいてＮＯｘ吸蔵量を推定してもよい。また、燃焼室内の温度を取得する方法は内燃機関の冷却水の温度に基づいて推定する方法に限定されず、燃焼室内の温度を取得可能な温度センサを設けて燃焼室内の温度を取得してもよい。

１０内燃機関
１４排気通路
１８排気浄化触媒（ＮＯｘ吸蔵還元触媒）
２０電子制御装置（燃料量調整手段、ＮＯｘ量取得手段、温度取得手段）
２３床温センサ（温度取得手段）

Claims

排気の空燃比が理論空燃比よりリーンであり、かつ所定の活性温度域内においてＮＯｘの吸蔵性能を発揮するＮＯｘ吸蔵還元触媒が排気通路に設けられ、かつ前記理論空燃比よりリーンの空燃比で運転可能な内燃機関に適用され、
前記内燃機関に供給する燃料量を調整する燃料量調整手段を備えた制御装置において、
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘ量を取得するＮＯｘ量取得手段と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を取得する温度取得手段と、をさらに備え、
前記燃料量調整手段は、前記内燃機関の始動時に、前記ＮＯｘ量取得手段により取得されたＮＯｘ量が所定の判定量未満であり、かつ前記温度取得手段により取得された前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が前記活性温度域内である場合、前記内燃機関の始動時の空燃比が前記理論空燃比よりリーンの空燃比になるように前記内燃機関を始動可能な範囲内で前記内燃機関に供給する燃料量を調整する制御装置。