JP2016205353A - 車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気加熱式触媒の担体にクラックが生じるのを抑制する。【解決手段】動力源としての内燃機関１００と、内燃機関１００の排気通路内に保持されて通電されることにより発熱する発熱体３５と、発熱体３５を介して加熱される触媒と、を備える車両の制御装置２００が、機関始動時の発熱体３５の温度に基づいて触媒を活性させるための暖機要求があるか否かを判定し、暖機要求がある場合において、機関要求出力が機関始動時の発熱体３５の温度に基づいて定まる排気温低下要求出力以上のときは、発熱体３５に対する通電を実施せずに排気熱によって触媒を加熱すると共に、排気熱によって触媒と共に加熱される発熱体３５の温度が、発熱体３５の外周部と当該外周部よりも内側の外周近傍部との温度差が最大となる温度を超えるまで、排気温を低下させるための燃料を余分に噴射して内燃機関１００を運転させるように構成される。【選択図】図１

Description

本発明は車両の制御装置に関する。

特許文献１には、動力源としての内燃機関及び電動機を備え、内燃機関の排気通路に電気加熱式の触媒装置（ＥＨＣ；Electrical Heated Catalyst）を設けたハイブリッド車両が開示されている。電気加熱式の触媒装置は、排気通路内に保持されて通電されることで発熱する発熱体によって、当該発熱体に担持された触媒を加熱できるように構成されている。

特開２０１３−１４４４７３号公報

発熱体の熱は、その外周面から放熱されるため、発熱体の外周面の温度は、発熱体の内部の温度よりも低くなり、特に発熱体の外周面から、外周面よりもやや内側の外周面近傍部までの偏った領域（外周領域）において大きな温度差（温度勾配）が生じる。発熱体は排気通路内に保持されており自由に膨張できないため、発熱体の内部で大きな温度差が生じると、それに伴って大きな熱応力が生じて発熱体にクラック（亀裂）が生じるおそれがある。

そして発熱体の外周領域における内部温度差は、発熱体の温度を触媒活性温度まで昇温させる途中で最大になると共に、発熱体の昇温速度が速くなるほど大きくなる傾向にある。したがって、発熱体の外周領域における内部温度差が過大になることに起因するクラックを抑制するには、発熱体の昇温速度を制御することが有効である。

ここで、発熱体に通電して発熱体を昇温させる場合であれば、通電量を制御することで、発熱体にクラックが生じないように発熱体の昇温速度を制御することができる。

一方で発熱体の温度は、発熱体に対して通電が行われていなくても、発熱体が排気熱によって加熱されることでも上昇する。そのため、例えば内燃機関の始動直後の機関要求出力が大きい場合などは、排気も高温となるので、発熱体に対して通電を行わなくても、排気熱によって触媒を早期に活性温度まで昇温させることができる。しかしながら、このように排気熱によって触媒の活性を行う場合は、発熱体の昇温速度が機関要求出力に依存してしまうため、発熱体の昇温速度を制御できずに発熱体にクラックが生じるおそれがある。

そこで、例えば特許文献１に記載された制御装置のように、機関要求出力が所定の閾値を超えた場合に、吸入吸気量を減量するか、又は、吸入空気量を減量せずに燃料を余分に噴射して空燃比を低下させることで排気温を低下させて、発熱体にクラックが生じるのを抑制するように構成することが考えられる。

しかしながら、特許文献１に記載された制御装置のように吸入空気量を減量させて排気温を低下させると、機関要求出力が大きい場合に機関出力を機関要求出力にすることができずに加速性能が低下するという問題点がある。

一方、空燃比を低下させて排気温を低下させた場合は、このような加速性能の低下については抑制できるが、特許文献１では空燃比をいつまで低下させるかが不明であった。

前述したように、発熱体の外周領域における内部温度差は、発熱体の温度を触媒活性温度まで昇温させる途中で最大となり、それ以降は温度差が徐々に小さくなっていく。そのため、発熱体の外周領域における内部温度差が最大となる時期を過ぎた後も空燃比を低下させて排気温を低下させていたのでは、無駄に燃料を消費することになって燃費が悪化すると共に、触媒を活性させるまでの時間も長くなるので排気エミッションも悪化するという問題点がある。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、車両の加速性能を低下させることなく燃費及び排気エミッションの悪化を抑制しつつ、発熱体の外周領域における温度差が過大になることに起因する発熱体のクラックを抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、動力源としての内燃機関と、内燃機関の排気通路内に保持されて通電されることにより発熱する発熱体と、発熱体に担持された触媒と、を備える車両を制御する制御装置が、機関始動時の発熱体の温度に基づいて触媒を活性させるための暖機要求があるか否かを判定し、暖機要求がある場合において、機関要求出力が機関始動時の発熱体の温度に基づいて定まる排気温低下要求出力以上のときは、発熱体に対する通電を実施せずに排気熱によって触媒を加熱すると共に、排気熱によって触媒と共に加熱される発熱体の温度が、発熱体の外周部と当該外周部よりも内側の外周近傍部との温度差が最大となる温度を超えるまで、排気温を低下させるための燃料を余分に噴射して内燃機関を運転させるように構成される。

本発明のこの態様によれば、車両の加速性能を低下させることなく燃費及び排気エミッションの悪化を抑制しつつ、発熱体の外周領域における温度差が過大になることに起因する発熱体のクラックを抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態による車両及び車両を制御する電子制御ユニットの概略構成図である。 図２は、本発明の一実施形態による内燃機関の詳細な構成について説明する図である。 図３は、導電性担体に対する通電を行わずに排気熱によって触媒の活性を行う場合に生じる問題について説明する図である。 図４は、電子制御ユニットが実施する本実施形態による冷間始動時の内燃機関の制御について説明するフローチャートである。 図５は、初期担体温度に基づいて、排温低下要求出力を算出するテーブルである。 図６は、本発明の一実施形態による冷間始動時の内燃機関の制御の動作について説明するタイムチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

図１は、本発明の一実施形態による車両１１０及び車両１１０を制御する電子制御ユニット２００の概略構成図である。

本実施形態による車両１１０は、内燃機関１００と、動力分割機構４０と、第１回転電機５０と、第２回転電機６０と、バッテリ７０と、昇圧コンバータ８１と、第１インバータ８２と、第２インバータ８３と、を備え、内燃機関１００及び第２回転電機６０の２つの動力源の一方又は双方の動力を、最終減速装置１１１を介して車輪駆動軸１１２に伝達することができるように構成されたハイブリッド車両である。なお、車両１１０はハイブリッド車両に限られるものではなく、動力源として内燃機関１００のみを備えた通常車両であっても良い。

内燃機関１００は、機関本体１と、吸気装置２０と、排気装置３０と、を備え、機関本体１のクランクシャフト（図示せず）と連結された出力軸１１３を回転させるための動力を発生させる。以下、図２も参照して内燃機関１００の詳細な構成について説明する。

図２に示すように、機関本体１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の上面に固定されたシリンダヘッド３と、を備える。

シリンダブロック２には、複数のシリンダ４が形成される。シリンダ４の内部には、燃焼圧力を受けてシリンダ４の内部を往復運動するピストン５が収められる。ピストン５は、コンロッドを介してクランクシャフトと連結されており、クランクシャフトによってピストン５の往復運動が回転運動に変換される。シリンダヘッド３の内壁面、シリンダ４の内壁面及びピストン冠面によって区画された空間が燃焼室６となる。

シリンダヘッド３には、シリンダヘッド３の一方の側面に開口すると共に燃焼室６に開口する吸気ポート７と、シリンダヘッド３の他方の側面に開口すると共に燃焼室６に開口する排気ポート８と、が形成される。

またシリンダヘッド３には、燃焼室６と吸気ポート７との開口を開閉するための吸気弁９と、燃焼室６と排気ポート８との開口を開閉するための排気弁１０と、吸気弁９を開閉駆動する吸気カムシャフト１１と、排気弁１０を開閉駆動する排気カムシャフト１２と、が取り付けられる。吸気カムシャフト１１の一端には、吸気弁９の開閉時期を任意の時期に設定することができる油圧式の可変動弁機構（図示せず）が設けられる。

さらにシリンダヘッド３には、燃焼室６内に燃料を噴射するための燃料噴射弁１３と、燃料噴射弁１３から噴射された燃料と空気との混合気を燃焼室６内で点火するための点火プラグ１４と、が取り付けられる。なお、燃料噴射弁１３は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように取り付けてもよい。

吸気装置２０は、吸気ポート７を介してシリンダ４内に空気を導くための装置であって、エアクリーナ２１と、吸気管２２と、吸気マニホールド２３と、エアフローメータ２１１と、電子制御式のスロットル弁２４と、を備える。

エアクリーナ２１は、空気中に含まれる砂などの異物を除去する。

吸気管２２は、一端がエアクリーナ２１に連結され、他端が吸気マニホールド２３のサージタンク２３ａに連結される。吸気管２２によって、エアクリーナ２１を介して吸気管２２内に流入してきた空気（吸気）が吸気マニホールド２３のサージタンク２３ａに導かれる。

吸気マニホールド２３は、サージタンク２３ａと、サージタンク２３ａから分岐してシリンダヘッド側面に形成されている各吸気ポート７の開口に連結される複数の吸気枝管２３ｂと、を備える。サージタンク２３ａに導かれた空気は、吸気枝管２３ｂを介して各シリンダ４内に均等に分配される。このように、吸気管２２、吸気マニホールド２３及び吸気ポート７が、各シリンダ４内に空気を導くための吸気通路を形成する。

エアフローメータ２１１は、吸気管２２内に設けられる。エアフローメータ２１１は、吸気管２２内を流れる空気の流量（以下「吸気量」という。）を検出する。

スロットル弁２４は、エアフローメータ２１１よりも下流側の吸気管２２内に設けられる。スロットル弁２４は、スロットルアクチュエータ２５によって駆動され、吸気管２２の通路断面積を連続的又は段階的に変化させる。スロットルアクチュエータ２５によってスロットル弁２４の開度（以下「スロットル開度」という。）の調整することで、各シリンダ４内に吸入される吸気量が調整される。スロットル開度は、スロットルセンサ２１２によって検出される。

排気装置３０は、燃焼室６内で生じた燃焼ガス（以下「排気」という。）を浄化して外気に排出するための装置であって、排気マニホールド３１と、排気管３２と、排気温度センサ２１３と、電気加熱式の触媒装置３３と、を備える。

排気マニホールド３１は、シリンダヘッド側面に形成されている各排気ポート８の開口と連結される複数の排気枝管３１ａと、排気枝管３１ａを集合させて１本にまとめた集合管３１ｂと、を備える。

排気管３２は、一端が排気マニホールド３１の集合管３１ｂに連結され、他端が外気に開口している。各シリンダ４から排気ポート８を介して排気マニホールド３１に排出された排気は、排気管３２を流れて外気に排出される。

排気温度センサ２１３は、触媒装置３３よりも上流側の排気管３２に設けられ、触媒装置３３に流入する排気の温度を検出する。

電気加熱式の触媒装置３３は、排気管３２に取り付けられた外筒３４と、導電性担体３５と、保持マット３６と、一対の電極３７と、担体温度センサ２１４と、備える。

外筒３４は、その内部に導電性担体３５を収容するための部品であって、典型的にはステンレス等の金属又はセラミック等の非金属によって構成されたケースである。

導電性担体３５は、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）や二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）などの通電されることにより発熱する材料によって形成された担体である。本実施形態による導電性担体３５は、排気の流れ方向に沿って複数の排気流通路が形成されたいわゆるハニカム型の担体であり、各排気流通路の表面に触媒が担持されている。本実施形態では導電性担体３５に三元触媒を担持させているが、導電性担体３５に担持させる触媒の種類は特に限られるものではなく、種々の触媒の中から所望の排気浄化性能を得るために必要な触媒を適宜選択して担持させることができる。

保持マット３６は、外筒３４と導電性担体３５との間の隙間を埋めるように、外筒３４と導電性担体３５との間に設けられ、導電性担体３５を外筒３４内の所定位置に保持するための部品である。保持マット３６は、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などの電気絶縁性の材料によって形成されている。

一対の電極３７は、導電性担体３５に電圧を印加するための部品であり、それぞれ外筒３４に対して電気的に絶縁された状態で導電性担体３５に電気的に接続されると共に、図１に示すように導電性担体３５に印加する電圧を調整するための電圧調整回路３８を介してバッテリ７０に接続される。一対の電極３７を介して導電性担体３５に電圧を印加して導電性担体３５に電力を供給することで、導電性担体３５に電流が流れて導電性担体３５が発熱し、導電性担体３５に担持された触媒が加熱される。一対の電極３７によって導電性担体３５に印加する電圧は、電子制御ユニット２００によって電圧調整回路３８を制御することで調整可能であり、例えばバッテリ７０の電圧をそのまま印加することも、バッテリ７０の電圧を任意の電圧に調整して印加することも可能である。

担体温度センサ２１４は、導電性担体３５の近傍、かつ、導電性担体３５よりも下流側の外筒３４に設けられ、導電性担体３５の温度を検出する。

このように、排気ポート８、排気マニホールド３１、排気管３２及び外筒３４が、各シリンダ４から排出された排気が流れる排気通路を形成する。

なお、本実施形態では内燃機関１００の一例として、上記のような無過給ガソリンエンジンを例示して説明したが、上記の構成に限られるものではなく、燃焼態様や気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無、過給態様等が、上記の構成と異なるものであっても良い。

図１に戻り、動力分割機構４０は、内燃機関１００の動力を、車輪駆動軸１１２を回転させるための動力と、第１回転電機５０を回生駆動させるための動力と、の２系統に分割するための遊星歯車であって、サンギヤ４１と、リングギヤ４２と、ピニオンギヤ４３と、プラネタリキャリア４４と、を備える。

サンギヤ４１は外歯歯車であり、動力分割機構４０の中央に配置される。サンギヤ４１は、第１回転電機５０の回転軸５３と連結されている。

リングギヤ４２は内歯歯車であり、サンギヤ４１と同心円上となるように、サンギヤ４１の周囲に配置される。リングギヤ４２は、第２回転電機６０の回転軸６３と連結される。また、リングギヤ４２には、車輪駆動軸１１２に対して最終減速装置１１１を介してリングギヤ４２の回転を伝達するためのドライブギヤ１１４が一体化されて取り付けられている。

ピニオンギヤ４３は外歯歯車であり、サンギヤ４１及びリングギヤ４２と噛み合うように、サンギヤ４１とリングギヤ４２との間に複数個配置される。

プラネタリキャリア４４は、内燃機関１００の出力軸１１３に連結されており、出力軸１１３を中心にして回転する。またプラネタリキャリア４４は、プラネタリキャリア４４が回転したときに、各ピニオンギヤ４３が個々に回転（自転）しながらサンギヤ４１の周囲を回転（公転）することができるように、各ピニオンギヤ４３にも連結されている。

第１回転電機５０は、例えば三相の交流同期型のモータジュネレータであり、サンギヤ４１に連結された回転軸５３の外周に取り付けられて複数の永久磁石が外周部に埋設されたロータ５１と、回転磁界を発生させる励磁コイルが巻き付けられたステータ５２と、を備える。第１回転電機５０は、バッテリ７０からの電力供給を受けて力行駆動する電動機としての機能と、内燃機関１００の動力を受けて回生駆動する発電機としての機能と、を有する。

本実施形態では、第１回転電機５０は主に発電機として使用される。そして、内燃機関１００の始動時に出力軸１１３を回転させてクランキングを行うときに電動機として使用され、スタータとしての役割を果たす。

第２回転電機６０は、例えば三相の交流同期型のモータジュネレータであり、リングギヤ４２に連結された回転軸５３の外周に取り付けられて複数の永久磁石が外周部に埋設されたロータ６１と、回転磁界を発生させる励磁コイルが巻き付けられたステータ６２と、を備える。第２回転電機６０は、バッテリ７０からの電力供給を受けて力行駆動する電動機としての機能と、車両１１０の減速時などに車輪駆動軸１１２からの動力を受けて回生駆動する発電機としての機能と、を有する。

バッテリ７０は、例えばニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池、リチウムイオン電池などの充放電可能な二次電池である。本実施形態では、バッテリ７０として、定格電圧が２００Ｖ程度のリチウムイオン二次電池を使用している。バッテリ７０は、バッテリ７０の充電電力を第１回転電機５０及び第２回転電機６０に供給してそれらを力行駆動することができるように、また、第１回転電機５０及び第２回転電機６０の発電電力をバッテリ７０に充電できるように、昇圧コンバータ８１等を介して第１回転電機５０及び第２回転電機６０に電気的に接続される。またバッテリ７０は、バッテリ７０の充電電力を導電性担体３５に供給して導電性担体３５を加熱することができるように、電圧調整回路３８及び一対の電極３７を介して導電性担体３５にも電気的に接続される。

さらにバッテリ７０は、例えば家庭用コンセントなどの外部電源からの充電が可能なように、充電制御回路７１及び充電リッド７２を介して外部電源と電気的に接続可能に構成されている。充電制御回路７１は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて、外部電源から供給される交流電流を直流電流に変換し、入力電圧をバッテリ電圧まで昇圧して外部電源の電力をバッテリ７０に充電することが可能な電気回路である。なおバッテリ７０は、必ずしも外部電源からの充電が可能なように構成されている必要はない。

昇圧コンバータ８１は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて一次側端子の端子間電圧を昇圧して二次側端子から出力し、逆に電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて二次側端子の端子間電圧を降圧して一次側端子から出力することが可能な電気回路を備える。昇圧コンバータ８１の一次側端子はバッテリ７０の出力端子に接続され、二次側端子は第１インバータ８２及び第２インバータ８３の直流側端子に接続される。

第１インバータ８２及び第２インバータ８３は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて直流側端子から入力された直流電流を交流電流（本実施形態では三相交流電流）に変換して交流側端子から出力し、逆に電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて交流側端子から入力された交流電流を直流電流に変換して直流側端子から出力することが可能な電気回路をそれぞれ備える。第１インバータ８２の直流側端子は昇圧コンバータ８１の二次側端子に接続され、第１インバータ８２の交流側端子は第１回転電機５０の入出力端子に接続される。第２インバータ８３の直流側端子は昇圧コンバータ８１の二次側端子に接続され、第２インバータ８３の交流側端子は第２回転電機６０の入出力端子に接続される。

電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。

入力ポート２０５には、前述したエアフローメータ２１１やスロットルセンサ２１２、排気温度センサ２１３、担体温度センサ２１４の他にも、車速を検出するための車速センサ２１５やバッテリ充電量を検出するためのＳＯＣセンサ２１６などの出力信号が、対応する各ＡＤ変換器２０７を介して入力される。また入力ポート２０５には、アクセルペダル２２０の踏み込み量（以下「アクセル踏込量」という。）に比例した出力電圧を発生する負荷センサ２１７の出力電圧が、対応するＡＤ変換器２０７を介して入力される。また入力ポート２０５には、機関回転速度を算出するための信号として、機関本体１のクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ２１８の出力信号が入力される。このように入力ポート２０５には、車両１１０を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力される。

出力ポート２０６には、対応する駆動回路２０８を介して燃料噴射弁１３や点火プラグ１４、スロットルアクチュエータ２５、電圧調整回路３８、充電制御回路７１、昇圧コンバータ８１、第１インバータ８２、第２インバータ８３などの各制御部品が電気的に接続される。

電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力して車両１１０を制御する。以下、電子制御ユニット２００が実施する車両１１０の制御について説明する。

電子制御ユニット２００は、バッテリ充電量に基づいて、車両１１０の走行モードを設定する。具体的には、電子制御ユニット２００は、バッテリ充電量が所定のモード切替充電量（例えば満充電量の２５％）よりも大きいときは、車両１１０の走行モードをＣＤ（Charge Depleting；充電消耗）モードに設定する。ＣＤモードは、ＥＶ（Electric Vehicle）モードと称される場合もある。

車両１１０の走行モードがＣＤモードに設定されているときは、電子制御ユニット２００は、基本的に内燃機関１００を停止させた状態でバッテリ７０の充電電力を使用して第２回転電機６０を力行駆動させ、第２回転電機６０の動力のみにより車輪駆動軸１１２を回転させる。そして電子制御ユニット２００は、所定の機関運転条件が成立しているときには例外的に内燃機関１００を運転させ、内燃機関１００及び第２回転電機６０の双方の動力で車輪駆動軸１１２を回転させる。

ＣＤモード中における機関運転条件は、車両１１０の走行性能確保や部品保護の観点から設定されるもので、例えば車速が所定車速（例えば１００ｋｍ／ｈ）以上になっているときや、アクセル踏込量が増大してアクセル踏込量及び車速に基づいて設定される車両要求出力が所定出力以上になっているとき（急加速要求時）、バッテリ温度が所定温度（例えば−１０℃）以下になっているときなどが挙げられる。

このようにＣＤモードは、バッテリ７０の充電電力を優先的に利用して第２回転電機６０を力行駆動させ、少なくとも第２回転電機６０の動力を車輪駆動軸１１２に伝達して車両１１０を走行させるモードである。

一方で電子制御ユニット２００は、バッテリ充電量がモード切替充電量以下のときは、車両１１０の走行モードをＣＳ（Charge Sustaining；充電維持）モードに設定する。ＣＳモードは、ＨＶ（Hybrid Vehicle）モードと称される場合もある。

車両１１０の走行モードがＣＳモードに設定されているときは、電子制御ユニット２００は、内燃機関１００の動力を動力分割機構４０によって２系統に分割し、分割した内燃機関１００の一方の動力を車輪駆動軸１１２に伝達すると共に、他方の動力によって第１回転電機５０を回生駆動する。そして、基本的に第１回転電機５０の発電電力によって第２回転電機６０を力行駆動し、内燃機関１００の一方の動力に加えて第２回転電機６０の動力を車輪駆動軸１１２に伝達する。例外的に、例えばアクセル踏込量が増大して車両要求出力が所定出力以上になっているときなどは、車両１１０の走行性能確保のために第１回転電機５０の発電電力とバッテリ７０の充電電力によって第２回転電機６０を力行駆動し、内燃機関１００及び第２回転電機６０の双方の動力を車輪駆動軸１１２に伝達する。

このようにＣＳモードは、内燃機関１００を運転させると共に第１回転電機５０の発電電力を優先的に利用して第２回転電機６０を力行駆動させ、内燃機関１００及び第２回転電機６０の双方の動力を車輪駆動軸１１２に伝達して車両１１０を走行させるモードである。

このようにハイブリッド車両では、基本的に走行モードがＣＤモードからＣＳモードに切り替わったときに内燃機関１００が始動されることになる。そしてＣＤモードからＣＳモードへの切り替わりは、基本的にバッテリ充電量に依存する。

触媒装置３３が所望の排気浄化性能を発揮するには、導電性担体３５に担持させた触媒を活性温度まで昇温させて、触媒を活性させる必要がある。そのため、機関始動後の排気エミッションの悪化を抑制するには、ＣＤモード中に導電性担体３５に対する通電を開始して触媒装置３３の暖機を開始し、ＣＳモードに切り替わる前に触媒装置３３の暖機を完了させておくことが望ましい。そこで本実施形態では、ＣＤモード中にバッテリ充電量がモード切替充電量よりも大きい暖機開始充電量まで低下したら、導電性担体３５に対する通電を開始して触媒装置３３を暖機するようにしている。

しかしながら前述したように、ＣＤモード中であっても内燃機関１００が始動される場合があり、バッテリ充電量が暖機開始充電量まで低下する前や、バッテリ充電量が暖機開始充電量まで低下した後、モード切替充電量まで低下する前に、内燃機関１００が始動される場合がある。すなわち、導電性担体３５に対する通電を開始する前や、通電を実施している途中に内燃機関１００が始動される場合がある。

ここで、例えばＣＤモード中に急加速要求があり、アクセル踏込量が増大して車両要求出力が所定出力以上になったために内燃機関１００が始動された場合は、内燃機関１００に対する要求出力（以下「機関要求出力」という。）も高くなり、排気温も高温となる。したがってこのような場合は、導電性担体３５に対して通電を行わなくても、排気熱によって触媒を早期に活性温度まで昇温させることができる。そのため、排気熱によって触媒を早期に活性温度まで昇温させることができる場合に、導電性担体３５に対する通電を行って電力を無駄に消費する必要はない。

また、ハイブリッド車両ではない通常車両の場合でも、機関始動直後に急加速要求があったときは、同様に導電性担体３５に対して通電を行わなくても、排気熱によって触媒を早期に活性温度まで昇温させることができる。

そして、このように排気熱によって触媒の活性を行う場合、導電性担体３５に対して通電を行わなくても、導電性担体３５の温度は導電性担体３５が排気熱によって加熱されることで上昇する。しかしながら、導電性担体３５に対する通電を行わずに排気熱によって触媒の活性を行う場合は、以下のような問題が生じる。

図３は、導電性担体３５に対する通電を行わずに排気熱によって触媒の活性を行う場合に生じる問題について説明する図である。

図３（ａ）は、触媒装置３３を排気流れ方向と垂直に交わる方向で切断した場合の触媒装置３３の断面図である。図３（ｂ）は、導電性担体３５を外気温相当の初期温度から活性温度に向けて昇温させているときの、導電性担体３５の各部位の温度の推移を示す図である。図３（ｂ）の実線は、導電性担体３５の中心部の温度の推移を示す。図３（ｂ）の一点鎖線は、保持マット３６と接触している導電性担体３５の外周面の温度の推移を示す。図３（ｂ）の破線は、外周面よりもやや内側（外周面から５ｍｍ程度）の外周近傍部の温度の推移を示す。図３（ｃ）は、導電性担体３５の外周面と外周近傍部との温度差（以下「内部温度差」という。）ΔＴの推移を示す図である。

図３（ｂ）に示すように、導電性担体３５の熱は、その外周面から放熱されるため、導電性担体３５の外周面の温度は、導電性担体３５の中心部の温度よりも低くなり、特に発熱体の外周面から外周面近傍部までの偏った領域（外周領域）において大きな温度差（温度勾配）が生じる。導電性担体３５は排気通路内に保持されており自由に膨張できないため、導電性担体３５の内部で大きな温度差が生じると、それに伴って大きな熱応力が生じて導電性担体３５にクラックが生じるおそれがある。

そして図３（ｃ）に示すように、導電性担体３５の外周領域における内部温度差ΔＴは、導電性担体３５を活性温度に向けて昇温させている途中で最大となり、それ以降は徐々に小さくなっていく。そして、この内部温度差ΔＴは、導電性担体３５の初期温度が低いほど（初期温度と活性温度との差が大きいほど）、また、導電性担体３５の昇温速度が速くなるほど大きくなる傾向にある。

したがって、内部温度差ΔＴが過大になることに起因するクラックを抑制するには、導電性担体３５の昇温速度を制御することが有効である。

ここで、導電性担体３５に通電して導電性担体３５の温度を昇温させる場合であれば、通電量を制御することで、導電性担体３５にクラックが生じないように導電性担体３５の昇温速度を制御することができる。しかしながら、導電性担体３５に対する通電を行わずに排気熱によって触媒の活性を行う場合は、導電性担体３５の昇温速度が機関要求出力に依存してしまうため、導電性担体３５の昇温速度を制御できずに導電性担体３５にクラックが生じるおそれがある。

そこで、例えば機関要求出力が所定の閾値を超えた場合に、吸入吸気量を減量するか、又は、吸入吸気量を減量せずに燃料を余分に噴射して空燃比を低下させることで、機関本体から排出される排気の温度を低下させて、導電性担体３５にクラックが生じるのを抑制することが考えられる。しかしながら、機関要求出力が大きい場合に吸入吸気量を減量させて排気温を低下させると、機関出力を機関要求出力にすることができずに加速性能が低下するおそれがある。

一方、空燃比を低下させて排気温を低下させた場合は、このような加速性能の低下については抑制できるが、適切な時期に空燃比をもとに戻さないと、以下のような問題が生じる。すなわち、前述したように、導電性担体３５の外周領域における内部温度差ΔＴは、導電性担体３５の温度を活性温度に向けて昇温させている途中で最大となり、それ以降は徐々に小さくなっていく。そのため、内部温度差ΔＴが最大となる時期を過ぎた後、すなわち導電性担体３５の中心温度が、内部温度差ΔＴが最大になる温度（以下「ピーク温度」という。）よりも高くなった後も空燃比を低下させて排気温を低下させていたのでは、無駄に燃料を消費することになって燃費が悪化すると共に、触媒を活性させるまでの時間も長くなるので排気エミッションも悪化する。

そこで本実施形態では、触媒が活性していない状態で内燃機関１００が始動され、導電性担体３５に対する通電を行わずに排気熱によって触媒の活性を行う場合は、加速性能、燃費及び排気エミッションの悪化を抑制しつつ、内部温度差ΔＴが過大になることに起因する発熱体のクラックを抑制できるように、内燃機関１００を制御する。以下、この触媒が活性していない状態で内燃機関１００が始動されたとき（以下「冷間始動時」という。）の内燃機関１００の制御について説明する。

図４は、電子制御ユニット２００が実施する本実施形態による冷間始動時の内燃機関１００の制御について説明するフローチャートである。

ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、機関始動時の導電性担体３５の温度（以下「初期担体温度」という。）に基づいて、触媒暖機要求の有無を判定する。機関始動時は、触媒装置３３に排気がまだ流入していないので、導電性担体３５の近傍に設けられた担体温度センサ２１４によって検出された温度を、担体温度とみなしても問題ない。そこで本実施形態では、機関始動時に担体温度センサ２１４で検出された温度を、初期担体温度としている。電子制御ユニット２００は、初期担体温度が活性温度未満であれば、触媒暖機要求が有ると判定してステップＳ２の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、初期担体温度が触媒活性温度以上であれば、触媒暖機要求が無いと判定して処理を終了する。

ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、初期担体温度が、所定の排温低下要求温度以下か否かを判定する。排温低下要求温度は、ピーク温度（導電性担体３５の外周領域における内部温度差ΔＴが最大となる担体温度）よりも高い任意の温度に設定される。このような判定を行うのは、初期担体温度が既にピーク温度よりも高ければ、排気熱によって導電性担体３５の昇温が行われても導電性担体３５でクラックが生じることはないからである。電子制御ユニット２００は、初期担体温度が排気低下要求温度以下であれば、ステップＳ３の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、初期担体温度が排気低下要求温度よりも高ければステップＳ９の処理に進む。

ステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、図５のテーブルを参照し、初期担体温度に基づいて、排温低下要求出力を算出する。排温低下要求出力は、予め実験等によって設定される。機関要求出力が排温低下要求出力よりも大きくなると、排気熱によって導電性担体３５が加熱されたときに、内部温度差ΔＴが過大となって導電性担体３５にクラックが生じるおそれがある。図５に示すように、初期担体温度が低いほど、排温低下要求出力が小さくなっているのは、導電性担体３５を昇温させているときの内部温度差ΔＴは、初期担体温度が低いときほど（初期担体温度と活性温度との差が大きいほど）大きくなるためである。

ステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、機関要求出力が排温低下要求出力以上か否かを判定する。電子制御ユニット２００は、機関要求出力が排温低下要求出力以上であればステップＳ５の処理に進む。機関要求出力が排温低下要求出力以上の場合は、排気温が十分高温であり、排気熱によって触媒を早期に活性させることができるので、導電性担体３５に対する通電は実施されない。一方で電子制御ユニット２００は、機関要求出力が排温低下要求出力未満であれば、排気温を低下させなくても導電性担体３５でクラックが生じるおそれがないので、ステップＳ９の処理に進む。

ステップＳ５において、電子制御ユニット２００は、吸気量が機関要求出力に基づいて設定される目標吸気量まで増加しているか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、具体的にはエアフローメータ２１１で検出した吸気量が目標吸気量以上であればステップＳ６の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、エアフローメータ２１１で検出した吸気量が目標吸気量未満であればステップＳ９の処理に進む。

機関要求出力が変動したときは、機関要求出力に基づいて設定される目標吸気量に向けて吸気量を制御するために、スロットル弁２４や可変動弁機構が駆動される。このとき、スロットル弁２４や可変動弁機構には作動遅れがあるため、吸気量が目標吸気量となるまでにはタイムラグが生じる。したがって、吸気量が目標吸気量まで増加していないにもかかわらず、後述するステップＳ７に進んで排気温を低下させるための余分な燃料を噴射してしまうと、必要以上に燃料を噴射してしまうことになり、燃費及び排気エミッションが悪化する。そこで本実施形態では、ステップＳ５において吸気量が目標吸気量まで増加しているか否かを判定し、吸気量が目標吸気量まで増加していなければステップＳ９の処理に進むことにしたのである。

このようにステップＳ５では、吸気系の応答遅れが解消したか否かを判定し、特に本実施形態では吸気系の応答遅れが完全に解消してか否かを判定しているが、吸気系の応答遅れがある程度解消された時点、例えばエアフローメータ２１１で検出した吸気量が目標吸気量よりもやや小さい所定の吸気量まで増加しているか否かを判定するようにしても良い。

ステップＳ６において、電子制御ユニット２００は、担体温度が、導電性担体３５の外周領域における内部温度差ΔＴが最大となるピーク温度を超えているかを判定する。電子制御ユニット２００は、具体的には、機関要求出力が排温低下要求出力以上となってからの吸気量の積算値ＧＡ_ｓｕｍが、所定のピーク温度判定閾値ＧＡ_ｐｅａｋ以下か否かを判定する。

前述したように、触媒装置３３に排気がまだ流入していない機関始動時は、担体温度センサ２１４によって担体温度を精度良く検出することができるが、排気の流入後は担体温度センサ２１４によって担体温度を精度良く検出することができなくなる。そこで本実施形態では、排気が導電性担体３５に加えた熱量を代表するパラメータとして吸気量の積算値ＧＡ_ｓｕｍを用い、吸気量の積算値ＧＡ_ｓｕｍがピーク温度判定閾値ＧＡ_ｐｅａｋよりも大きくなったときに、担体温度がピーク温度を超えていると判定することとしたのである。なお、本実施形態ではピーク温度判定閾値ＧＡ_ｐｅａｋを一定値としているが、例えば排気温度センサで検出された排気温に基づいて、例えば排気温が高くなるほどピーク温度判定閾値ＧＡ_ｐｅａｋが小さくなるように補正しても良い。

電子制御ユニット２００は、吸気量の積算値ＧＡ_ｓｕｍがピーク温度判定閾値ＧＡ_ｐｅａｋ以下であれば、担体温度がピーク温度を超えていないと判定し、ステップＳ７の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、吸気量の積算値ＧＡ_ｓｕｍがピーク温度判定閾値ＧＡ_ｐｅａｋを超えていれば、担体温度がピーク温度を超えていると判定し、ステップＳ８の処理に進む。

ステップＳ７において、電子制御ユニット２００は、内部温度差ΔＴが過大になることに起因するクラックの発生を抑制するための燃料噴射量増量補正を実施して、内燃機関１００を運転させる。すなわち電子制御ユニット２００は、排気温を低下させるための燃料を余分に噴射して内燃機関１００を運転させる。電子制御ユニット２００は、具体的には、機関要求出力に基づいて目標吸気量を設定し、目標吸気量に基づいて基本燃料噴射量（噴射時間）を設定する。そして、基本燃料噴射量に、目標吸気量に基づいて設定される排気温低下のための追加燃料噴射量を加えた値を目標燃料噴射量として設定し、燃料噴射量が目標燃料噴射量となるように燃料噴射弁１３を制御する。これにより、加速性能を損なうことなく、機関本体１から排出される排気の温度を低下させることができる。なお、本実施形態では基本燃料噴射量を空燃比が理論空燃比となる噴射量に設定しているが、必ずしも理論空燃比となる噴射量に設定する必要はない。

ステップＳ８において、電子制御ユニット２００は、内部温度差ΔＴが過大になることに起因するクラックの発生を抑制するための燃料噴射量増量補正については少なくとも実施せずに、内燃機関１００を運転させる。したがって、基本的には基本燃料噴射量が目標燃料噴射量として設定されるが、必要に応じてクラックの発生を抑制するための燃料噴射量増量補正以外の補正が基本燃料噴射量に対して施される場合がある。

ステップＳ９において、電子制御ユニット２００は、触媒の暖機が完了したか否かを判定する。触媒の暖機が完了したか否かは、例えば排気温度センサ２１３や担体温度センサ２１４の検出した温度が活性温度以上になっている時間が所定時間以上になっているか等によって判定することができる。電子制御ユニット２００は、触媒の暖機が完了していれば処理を終了し、完了していればステップＳ４の処理に戻る。

図６は、本実施形態による冷間始動時の内燃機関１００の制御の動作について説明するタイムチャートである。

時刻ｔ１で、ＣＤモード中にアクセル踏込量が最大踏込量まで増加し、導電性担体３５に対して通電を開始する前に内燃機関１００が始動されたとする。そうすると、電子制御ユニット２００は、初期担体温度に基づいて排温低下要求出力を設定し、機関要求出力が排温低下要求出力以上か否かを判定する。

時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間は、機関要求出力は排温低下要求出力以上になっているものの、吸気系の応答遅れのために吸気量が目標吸気量に達していないので、電子制御ユニット２００は、内部温度差ΔＴが過大になることに起因するクラックの発生を抑制するための燃料噴射量増量補正、すなわち排気温を低下させるための燃料噴射量増量補正については少なくとも実施せずに、内燃機関１００を運転させる。

時刻ｔ２で吸気量が目標吸気量に達すると、電子制御ユニット２００は、吸気量の積算値ＧＡ_ｓｕｍがピーク温度判定閾値ＧＡ_ｐｅａｋを超える時刻３まで、内部温度差ΔＴが過大になることに起因するクラックの発生を抑制するための燃料噴射量増量補正を実施して、内燃機関１００を運転させる。すなわち、排気温を低下させるための燃料を余分に噴射して内燃機関１００を運転させる。

そして時刻ｔ３以降は、触媒の暖機が完了するまでは少なくとも排気温を低下させるための燃料噴射量増量補正については実施せずに、内燃機関１００の運転が行われる。

以上説明した本実施形態によれば、車両１１０を制御する電子制御ユニット２００が、機関始動時の導電性担体３５の温度（初期担体温度）に基づいて、触媒を活性させるための暖機要求があるか否かを判定し、暖機要求がある場合において、機関要求出力が機関始動時の導電性担体３５の温度に基づいて定まる排気温低下要求出力以上のときは、導電性担体３５に対する通電を実施せずに排気熱によって触媒を加熱すると共に、排気熱によって触媒と共に加熱される導電性担体３５の温度が、導電性担体３５の外周部と当該外周部よりも内側の外周近傍部との温度差ΔＴが最大となる温度（ピーク温度）を超えるまで、排気温を低下させるための燃料を余分に噴射して内燃機関１００を運転させる。

このように、排気温を低下させるための燃料を余分に噴射して内燃機関１００を運転させるのを、導電性担体３５の温度がピーク温度を超えるまでとすることで、導電性担体３５の外周領域おける内部温度差ΔＴが最大となる時期を過ぎて導電性担体３５にクラックが発生するおそれがなくなった後に、排気温を低下させるための燃料を無駄に噴射してしまうのを抑制できると共に、触媒を活性させるまでの時間も短くすることができる。よって、車両１１０の加速性能を悪化させることなく燃費及び排気エミッションの悪化を抑制しつつ、導電性担体３５の外周領域おける内部温度差ΔＴが過大になることに起因するクラックを抑制することができる。

また本実施形態による電子制御ユニット２００は、吸気系の応答遅れを考慮して、吸気量が機関要求出力に基づいて設定される目標吸気量になった後に、排気温を低下させるための燃料を余分に噴射して内燃機関１００を運転させる。

排気温を低下させるために余分に噴射される燃料量は、目標吸気量に基づいて設定されるため、吸気量が目標吸気量まで増加していないにもかかわらず、排気温を低下させるための余分な燃料を噴射してしまうと、必要以上に燃料が噴射されて燃費及び排気エミッションが悪化する。したがって、吸気量が目標吸気量になった後に、排気温を低下させるための燃料を余分に噴射して内燃機関１００を運転させることで、燃費及び排気エミッションが悪化をさらに抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば上記実施形態では、図４のステップＳ５において、吸気量が目標吸気量まで増加しているか否かを、エアフローメータ２１１で検出した吸気量が目標吸気量以上になっているか否かで判定していたが、このような方法に限らず、例えば以下のように変更しても良い。すなわち、機関要求出力が排温低下要求出力よりも大きくなってからの経過時間が予め設定された所定時間以上となったときに、吸気量が目標吸気量まで増加していると判定するように変更しても良い。また、吸気量の積算値ＧＡ_ｓｕｍが、ピーク温度判定閾値ＧＡ_ｐｅａｋよりも小さい所定の閾値以上になったときに、吸気量が目標吸気量まで増加していると判定するように変更しても良い。このように、機関要求出力が変動したときの吸気系の応答遅れが解消したかを判定することができる種々の判定方法に変更することができる。

３５ 導電性担体（発熱体）
１００ 内燃機関
１１０ 車両
２００ 電子制御ユニット（制御装置）

Claims (1)

1. 動力源としての内燃機関と、
   前記内燃機関の排気通路内に保持されて、通電されることにより発熱する発熱体と、
   前記発熱体に担持された触媒と、
   を備える車両の制御装置であって、
   機関始動時の前記発熱体の温度に基づいて、前記触媒を活性させるための暖機要求があるか否かを判定し、
   前記暖機要求がある場合において、機関要求出力が機関始動時の前記発熱体の温度に基づいて定まる排気温低下要求出力以上のときは、前記発熱体に対する通電を実施せずに排気熱によって前記触媒を加熱すると共に、
   排気熱によって前記触媒と共に加熱される前記発熱体の温度が、前記発熱体の外周部と当該外周部よりも内側の外周近傍部との温度差が最大となる温度を超えるまで、排気温を低下させるための燃料を余分に噴射して前記内燃機関を運転させるように構成された、
   車両の制御装置。

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