JP2021127708A

JP2021127708A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2021127708A
Application number: JP2020021689A
Authority: JP
Inventors: 勇喜野瀬; Yuki Nose; 正明小林; Masaaki Kobayashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-02-12
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2021-09-02
Anticipated expiration: 2040-02-12
Also published as: JP7338499B2

Abstract

【課題】排気浄化装置の昇温制御において、熱による部品の損傷を抑制することが可能な内燃機関の制御装置を提供することを課題とする。
【解決手段】複数の気筒を有し、排気通路に排気を浄化する排気浄化装置が設けられた内燃機関の制御装置であって、車両の速度が所定の速度以上であり、かつ前記内燃機関の吸気の温度が所定値以下である場合、前記複数の気筒のうち少なくとも１つへの燃料の供給を停止し、残りの気筒のうち少なくとも１つの気筒ではリッチ燃焼を実行することで、前記排気浄化装置の昇温制御を行う内燃機関の制御装置。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の排気通路には、触媒およびフィルタなど、内燃機関から発生する排気を浄化する排気浄化装置が設けられる。触媒としては、一酸化炭素（ＣＯ）および窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する三元触媒などが用いられる。フィルタは粒状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集する。触媒のＳＯｘ吸着量が許容量に達したとき、触媒を昇温するために、内燃機関の複数の気筒のうち、一部の気筒の空燃比を理論空燃比よりもリッチとし、他の気筒の空燃比を理論空燃比よりもリーンとする、ディザ制御を行う技術が開発されている（特許文献１など）。

特開２００４−２１８５４１号公報

排気浄化装置の昇温制御においては、内燃機関の一部の気筒で燃料の供給を行わないフューエルカットによって、十分な量の酸素を排気浄化装置に供給し、かつ排気浄化装置の温度を上昇させることで、捕集されたＰＭを燃焼する。しかし、温度上昇によって、内燃機関など車両の部品が損傷する恐れがある。特に低負荷運転時などは、車速風による部品の冷却が難しくなり、熱による損傷が発生しやすくなる。そこで、排気浄化装置の昇温制御において、熱による部品の損傷を抑制することが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。

上記目的は、複数の気筒を有し、排気通路に排気を浄化する排気浄化装置が設けられた内燃機関の制御装置であって、車両の速度が所定の速度以上であり、かつ前記内燃機関の吸気の温度が所定値以下である場合、前記複数の気筒のうち少なくとも１つへの燃料の供給を停止し、残りの気筒のうち少なくとも１つの気筒ではリッチ燃焼を実行することで、前記排気浄化装置の昇温制御を行う内燃機関の制御装置によって達成できる。

排気浄化装置の昇温制御において、熱による部品の損傷を抑制することが可能な内燃機関の制御装置を提供できる。

図１（ａ）はハイブリッド車両を例示する模式図である。図１（ｂ）は内燃機関を例示する模式図である。図２はＥＣＵが実行する処理を例示するフローチャートである。図３は実施形態におけるタイムチャートである。

（ハイブリッド車両）
図１（ａ）はハイブリッド車両１を例示する模式図である。ハイブリッド車両１は、内燃機関１０、モータジェネレータ（Motor Generator、モータＭＧ１およびモータＭＧ２）、バッテリ３０、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えるハイブリッド車両である。

ハイブリッド車両１ではＨＶ走行とＥＶ走行が可能である。ＨＶ走行では内燃機関１０の運転とモータＭＧ１またはＭＧ２の運転とを協働させる。ＥＶ走行では内燃機関１０を運転させず、バッテリ３０の電力を利用しモータＭＧ１またはＭＧ２の運転で走行する。

内燃機関１０は例えばガソリンなどの燃料を燃焼し動力を出力するガソリンエンジンである。内燃機関１０は燃焼後の排気を後述の排気通路を通じてハイブリッド車両１の外に排出する。モータＭＧ１およびモータＭＧ２はバッテリ３０から供給される電力で駆動する。

プラネタリギヤ１４は、ダンパ１２を介して内燃機関１０の不図示のクランクシャフトに接続され、かつモータＭＧ１およびモータＭＧ２に接続される。モータＭＧ２はデファレンシャルギヤ１６を介してハイブリッド車両１の駆動輪１ａに接続される。内燃機関１０、モータＭＧ１、モータＭＧ２が発生させる駆動力が駆動輪１ａに伝達され、ハイブリッド車両１は走行する。

バッテリ３０は例えばリチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池などを含む。インバータ２０はモータＭＧ１、およびバッテリ３０に電気的に接続される。インバータ２２はモータＭＧ２、およびバッテリ３０に電気的に接続される。インバータ２０はモータＭＧ１が発生させる交流電力を直流電力に変換しバッテリ３０に供給し、バッテリ３０の直流電力を交流電力に変換しモータＭＧ１に供給する。インバータ２２も同様に直流電力と交流電力との変換を行う。ハイブリッド車両１は、外部の電源とバッテリ３０との間で電力の入力および出力が可能なプラグインハイブリッド車両でもよい。

ＥＣＵ４０は、例えば内燃機関１０を制御するエンジンＥＣＵ、モータＭＧ１およびモータＭＧ２を制御するモータＥＣＵ、バッテリ３０を制御する電池ＥＣＵを含む。ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置を備える制御装置であり、記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各種制御を行う。

（内燃機関）
図１（ｂ）は内燃機関１０を例示する模式図である。内燃機関１０は例えば４つの気筒＃１〜＃４を有する４気筒エンジンである。気筒＃１〜＃４それぞれに燃料噴射弁３２、および不図示の点火プラグが設けられている。内燃機関１０の気筒＃１〜＃４には、吸気通路５０および排気通路５２が接続されている。

吸気通路５０にはエアフローメータ５１および温度センサ５３が設けられ、不図示のスロットルバルブなどが設けられている。エアフローメータ５１は吸気の流量を測定する。温度センサ５３は吸気の温度を測定する。吸気は吸気通路５０から４つの気筒へと導入される。燃料噴射弁３２から噴射された燃料と空気とは各気筒内において混合気を形成し、燃焼する。燃焼後の排気は気筒から排気通路５２から排出される。

排気通路５２には上流側から順に、空燃比センサ５７、圧力センサ５４、排気浄化装置６０、圧力センサ５５が設けられている。空燃比センサ５７は空燃比を検出する。排気浄化装置６０はＧＰＦ（Gasoline Particle Filter）および触媒を含む。ＧＰＦは例えばハニカム構造のフィルタであり、排気中のＰＭを捕集する。触媒は例えば三元触媒であり、ＧＰＦの壁面にコーティングされており、排気中のＣＯおよびＮＯｘなどを浄化する。後述のように、排気浄化装置６０に捕集されたＰＭを燃焼して除去する、昇温制御が行われる。

圧力センサ５４は排気浄化装置６０よりも上流側に設けられ、排気浄化装置６０の上流側における排気通路５２内の圧力を検出する。圧力センサ５５は排気浄化装置６０よりも下流側に設けられ、排気浄化装置６０の下流側における排気通路５２内の圧力を検出する。

車速センサ５６はハイブリッド車両１の速度を検出する。水温センサ５８は内燃機関１０の冷却水の温度（水温）を検出する。冷却ファン４２は例えば内燃機関１０とともにエンジンルームに収納され、回転することで内燃機関１０に風を吹き付け、内燃機関１０を冷却する。カバー４４は例えばハイブリッド車両１のフロントグリルなどに設けられ、開閉可能である。カバー４４が開くことで、ハイブリッド車両１の外部から内部へと空気が流れやすくなり、内燃機関１０の冷却が促進される。

ＥＣＵ４０は、エアフローメータ５１から吸気の流量を取得し、温度センサ５３から吸気の温度を取得する。ＥＣＵ４０は、空燃比センサ５７から空燃比を取得し、圧力センサ５４および５５から圧力を取得し、車速センサ５６から車速を取得し、水温センサ５８から水温を取得する。ＥＣＵ４０は内燃機関１０の回転数などから車速を推定してもよい。ＥＣＵ４０は燃料噴射弁３２からの燃料噴射量、冷却ファン４２の駆動、およびカバー４４の開閉を制御する。

（昇温制御）
排気浄化装置６０の昇温制御について説明する。ＥＣＵ４０は、圧力センサ５４および５５から圧力を取得し、排気浄化装置６０の上流側の圧力と下流側の圧力との差を取得する。排気浄化装置６０に堆積するＰＭの量が増加するほど、圧力差は大きくなる。ＰＭの堆積量が所定量以上になった場合、ＥＣＵ４０は昇温制御を実行する。

昇温制御において、ＥＣＵ４０は、内燃機関１０の４つの気筒＃１〜＃４のうち、例えば１つの気筒において燃料噴射弁３２からの燃料の噴射を停止する（フューエルカット、ＦＣ：Fuel Cut）。ＥＣＵ４０は、他の３つの気筒においては燃料の噴射を実施させ、これらの気筒における空燃比を理論空燃比よりも濃いリッチ燃焼を行う。

フューエルカットした気筒からは、他の気筒に比べて多くの酸素が排気通路５２に供給される。リッチ燃焼を行う３つの気筒からは、排気および未燃燃料が排気通路５２に供給される。十分な量の酸素および未燃燃料が、排気浄化装置６０に供給され、触媒において反応する。反応熱が発生することでＧＰＦの温度が上昇し、堆積したＰＭを燃焼し、除去することができる。

排気浄化装置６０の温度を上昇させることで、例えば内燃機関１０、吸気通路５０、および排気通路５２など、ハイブリッド車両１の部品に、熱による損傷が発生する恐れがある。本実施形態では、熱による損傷を抑制する処理を行う。

図２はＥＣＵ４０が実行する処理を例示するフローチャートである。ＥＣＵ４０は、圧力センサ５４および５５から取得した圧力の差を算出し、差圧に基づき排気浄化装置６０におけるＰＭの堆積量ｄを推定する（ステップＳ１０）。ＥＣＵ４０は堆積量ｄが閾値ｄｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。否定判定（Ｎｏ）の場合、昇温制御および冷却制御を実行せず、図２の処理は終了する。

肯定判定（Ｙｅｓ）の場合、ＥＣＵ４０は車速センサ５６から車速Ｖを取得し、車速Ｖが所定の速度Ｖｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。肯定判定の場合、ＥＣＵ４０は温度センサ５３から吸気の温度Ｔｉを取得し、温度Ｔｉが所定の温度Ｔｉｔｈ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。肯定判定の場合、ＥＣＵ４０は水温センサ５８から冷却水の温度Ｔｗを取得し、温度Ｔｗが所定の温度Ｔｗｔｈ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１８）。

肯定判定の場合、ＥＣＵ４０は昇温制御を実行する（ステップＳ２０）。ＥＣＵ４０は、内燃機関１０のうち例えば１つの気筒においてフューエルカットを実行し、フューエルカットされる気筒以外の気筒においては理論空燃比での燃焼時に比べて燃料噴射量を増加させ、リッチ燃焼を実施させる。排気浄化装置６０が昇温されることで、ＰＭが燃焼・除去され、排気浄化装置６０が再生される。

ＥＣＵ４０は、内燃機関１０などを冷却するための冷却制御を実行する（ステップＳ２２）。冷却制御とは、例えば図１（ｂ）に示した冷却ファン４２を作動させること、およびカバー４４を開くことなどにより、ハイブリッド車両１内に冷却風を発生させ、内燃機関１０などを冷却する処理である。ステップＳ２２の後、処理は終了する。ステップＳ１４からＳ１８のいずれかで否定判定の場合、昇温制御を実行せず、図２の処理は終了する。

図３は実施形態におけるタイムチャートである。上から順に排気浄化装置６０の昇温制御の要求フラグ、フューエルカット（ＦＣ）の実行フラグ、車速Ｖ、吸気温度Ｔｉ、冷却制御の実行フラグ、水温Ｔｗを表す。図３の例の吸気温度Ｔｉはいずれの時間においても所定の温度Ｔｉｔｈより低い。時間ｔ５以前では、水温Ｔｗは所定の温度Ｔｗｔｈより低い。

ＰＭの堆積量ｍが閾値ｍｔｈ以上になると、図３の時間ｔ１に示すように、昇温制御の要求フラグがオンになる（図２のステップＳ１２）。しかし、時間ｔ１〜ｔ２の期間では車速Ｖが所定の速度Ｖｔｈより小さいため、ＦＣの実行フラグがオフであり、かつ冷却制御の実行フラグがオフである。したがってフューエルカットおよび冷却制御は実行されず、リッチ燃焼も行われない。

時間ｔ２からｔ３までの期間では、車速Ｖが所定の速度Ｖｔｈより大きく、吸気温度Ｔｉは所定の温度Ｔｉｔｈより低く、水温Ｔｗは所定の温度Ｔｗｔｈより低い。ＥＣＵ４０はＦＣの実行フラグおよび冷却制御の実行フラグをオンにする。フューエルカットおよび冷却制御が実行される（図２のステップＳ２０およびＳ２２）。フューエルカットされる気筒以外の気筒ではリッチ燃焼が実行される。

時間ｔ３からｔ４までの期間では、車速Ｖが所定の速度Ｖｔｈより小さい（図２のステップＳ１４）。ＥＣＵ４０はＦＣの実行フラグおよび冷却制御の実行フラグをオフにする。このためフューエルカットおよび冷却制御は実行されない。時間ｔ４〜ｔ５の期間では、ＥＣＵ４０は、ＦＣの実行フラグおよび冷却制御の実行フラグをオンにする。このためフューエルカットおよび冷却制御が実行される（図２のステップＳ２０およびＳ２２）。時間ｔ５以降、水温Ｔｗが所定の温度Ｔｗｔｈより高くなる（図２のステップＳ１８）。ＥＣＵ４０はＦＣの実行フラグおよび冷却制御の実行フラグをオフにし、フューエルカットおよび冷却制御は実行されない。

本実施形態によれば、ＥＣＵ４０は、車速Ｖが所定の速度Ｖｔｈ以上であり、かつ吸気温度Ｔｉが所定の温度Ｔｉｔｈ以下である場合に、４つの気筒＃１〜＃４のうち例えば１つの気筒でフューエルカットを行い、３つの気筒でリッチ燃焼を行う。フューエルカットおよびリッチ燃焼により、排気浄化装置６０の再生が可能である。昇温制御中は車速Ｖが所定の速度Ｖｔｈ以上であるため、車速ＶがＶｔｈ未満の場合に比べて車速風が強くなる。また、吸気温度Ｔｉが所定の温度Ｔｉｔｈ以下である。このため、車速風および吸気により内燃機関１０、吸気通路５０、および排気通路５２などといった部品が冷却される。この結果、昇温制御において発生する熱による部品の損傷が抑制される。

車速Ｖが所定の速度Ｖｔｈ未満の場合、および吸気温度Ｔｉが所定の温度Ｔｉｔｈ以上である場合、車速風および吸気による冷却の効果が小さくなる。これらの場合に昇温制御を行うと、部品の温度が大きく上昇して部品が損傷する恐れがある。また、水温Ｔｗが所定の温度Ｔｗｔｈより高い場合にも、昇温制御を行うと部品の温度がさらに上昇して部品が損傷する恐れがある。

本実施形態では、車速Ｖが所定の速度Ｖｔｈ未満の場合、および吸気温度Ｔｉが所定の温度Ｔｉｔｈ以上である場合、ＥＣＵ４０はフューエルカットを停止し、昇温制御を行わない。フューエルカットの停止によって排気浄化装置６０の温度が低下し、部品の温度上昇が抑制される。したがって熱による損傷も抑制される。吸気の温度Ｔｉ以外に、例えばハイブリッド車両１の外部の温度（外気の温度）が所定の温度以上になった場合にＥＣＵ４０がフューエルカットを停止してもよい。冷却水の温度Ｔｗ以外に、例えばエンジンオイルの温度が所定の温度以上になった場合にＥＣＵ４０がフューエルカットを実行してもよい。

上記の例では４つの気筒のうち１つの気筒でフューエルカットを行い、残り３つの気筒でリッチ燃焼を行う。フューエルカットを行う気筒は１つでもよいし、２つ以上でもよい。リッチ燃焼を行う気筒は、フューエルカットする気筒以外の気筒のうち、すべてでもよいし、１つでもよい。つまり、ＥＣＵ４０は、複数の気筒のうち少なくとも１つの気筒ではフューエルカットし、残りの気筒の少なくとも１つではリッチ燃焼とする、ディザ制御を実行する。フューエルカットおよびリッチ燃焼が行われない気筒では、例えば理論空燃比での燃焼が行われる。内燃機関１０は４気筒エンジンとしたが、複数の気筒を有していればよい。つまり気筒の数は２つ以上であり、４つ以下でもよいし、４つ以上でもよい。

冷却ファン４２およびカバー４４はそれぞれ１つでもよいし、複数でもよい。カバー４４は例えばフロントグリルに設けられてもよいし、フロントグリル以外の位置に設けられてもよい。冷却ファン４２の駆動およびカバー４４の開放は冷却制御の例であり、冷却ファン４２およびカバー４４以外の装置を駆動することで内燃機関１０を冷却してもよい。

図１（ａ）に示すハイブリッド車両１のモータＭＧ１およびモータＭＧ２は、フューエルカット中に駆動してトルクを発生させてもよい。モータＭＧ１およびモータＭＧ２から出力されるトルクによって、フューエルカットによる内燃機関１０のトルクの減少を補い、ドライバビリティの低下を抑制することができる。本実施形態はハイブリッド車両１以外に内燃機関のみを動力源とする車両に適用してもよい。

排気浄化装置６０は、図１（ｂ）に示すようにＧＰＦに触媒をコーティングしたものでもよいし、例えばＧＰＦと触媒とを別個に触媒を配置してもよい。また、排気浄化装置６０はＧＰＦに代えてディーゼルパーティクルフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particle Filter）を含んでもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ハイブリッド車両
１ａ駆動輪
１０内燃機関
１２ダンパ
１４プラネタリギヤ
１６デファレンシャルギヤ
２０、２２インバータ
３０バッテリ
３２燃料噴射弁
４０ＥＣＵ
４２冷却ファン
４４カバー
５０吸気通路
５１エアフローメータ
５２排気通路
５３温度センサ
５４、５５圧力センサ
５６車速センサ
５７空燃比センサ
５８水温センサ
６０排気浄化装置
ＭＧ１、ＭＧ２モータ

Claims

複数の気筒を有し、排気通路に排気を浄化する排気浄化装置が設けられた内燃機関の制御装置であって、
車両の速度が所定の速度以上であり、かつ前記内燃機関の吸気の温度が所定値以下である場合、前記複数の気筒のうち少なくとも１つへの燃料の供給を停止し、残りの気筒のうち少なくとも１つの気筒ではリッチ燃焼を実行することで、前記排気浄化装置の昇温制御を行う内燃機関の制御装置。