JP2023009540A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機関始動時のＨＣ排出量を低減する。【解決手段】ＣＰＵ７２は、機関燃料のアルコール濃度を取得する処理と、取得したアルコール濃度に基づいてクランキング中の要求吸気圧を算出する処理と、クランクキング中の吸気圧が要求吸気圧以下となるようにクランキング中の機関回転速度及び吸気通路に設けられたスロットルバルブの開度を調整する負圧確保処理と、クランキング中の吸気圧が要求吸気圧以下になった以降に燃料噴射を開始する処理とを実行する。そして、同一のアルコール濃度の機関燃料を使用すると仮定して、負圧確保処理を実行しない場合において機関始動時に必要な燃料噴射量を非実行時噴射量とし、負圧確保処理を実行する場合において機関始動時に必要な燃料噴射量を実行時噴射量としたときに、実行時噴射量は非実行時噴射量よりも少ない量に設定される。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

アルコール燃料とガソリン燃料とが混合された混合燃料を使用可能な内燃機関が知られている。そうした混合燃料中のアルコール濃度が高くなるほど、燃料は気化しにくくなるため、機関始動性が低下する。

そこで、例えば特許文献１に記載の内燃機関では、機関始動時の燃料噴射に先立って、クランキング中の吸気圧が既定値以下となるように負圧確保処理を実行するようにしている。そして、この負圧確保処理による減圧効果によって燃料が気化しやすい状態になってから、燃料噴射を開始するようにしている。

特開２０１４－１３７０１９号公報

ところで、上記負圧確保処理の実行により燃料の気化性は変化する。そのため、そうした気化性の変化に合わせて機関始動時の燃料噴射量を調整することにより、未燃燃料に由来するＨＣ（炭化水素）排出量を低減することが望ましい。しかし、上記特許文献１に記載のものでは、そうした燃料噴射量の調整については考慮されておらず、この点において更なる改善の余地を残すものとなっている。

上記課題を解決する内燃機関の制御装置は、アルコール燃料とガソリン燃料とが任意の割合で混合された機関燃料を使用する内燃機関の制御装置である。前記内燃機関の出力軸には機関始動時のクランキングを行う電動機が繋がっている。そして、前記制御装置は、前記機関燃料のアルコール濃度を取得する処理と、取得した前記アルコール濃度に基づいてクランキング中の要求吸気圧を算出する処理と、クランクキング中の吸気圧が前記要求吸気圧以下となるようにクランキング中の機関回転速度及び吸気通路に設けられたスロットルバルブの開度を調整する負圧確保処理と、クランキング中の吸気圧が前記要求吸気圧以下になった以降に燃料噴射を開始する処理とを実行する。そして、同一のアルコール濃度の機関燃料を使用すると仮定して、前記負圧確保処理を実行しない場合において機関始動時に必要な燃料噴射量を非実行時噴射量とし、前記負圧確保処理を実行する場合において機関始動時に必要な燃料噴射量を実行時噴射量としたときに、前記実行時噴射量は前記非実行時噴射量よりも少ない量に設定される。

同構成によれば、機関始動に際して上記の負圧確保処理が実行される。これによりクランキング中の吸気圧は、アルコール濃度に基づいて算出される要求吸気圧以下となるように調整される。そして、クランキング中の吸気圧が要求吸気圧以下になった以降に燃料噴射が開始される。そのため、アルコール濃度が高い混合燃料であっても、そうしたクランキング中の吸気圧低下による減圧効果により気化が促進されることにより混合気の着火性が向上する。このようにして着火性が向上するため、機関始動時の燃料噴射量を少なくしても機関の始動性を適切に確保することができる。

そこで、同構成では、同一のアルコール濃度の機関燃料を使用すると仮定したときに、負圧確保処理を実行しない場合において機関始動時に必要な燃料噴射量を非実行時噴射量とし、負圧確保処理を実行する場合において機関始動時に必要な燃料噴射量を実行時噴射量としたときに、実行時噴射量は非実行時噴射量よりも少ない量となるように設定される。このように、負圧確保処理が実行される場合には機関始動時の燃料噴射量が少なくされるため、機関始動時における未燃燃料の排出量、つまりＨＣ排出量を低減することができる。

同構成によれば、

一実施形態にかかる内燃機関及び制御装置の構成を示す図である。 同実施形態にかかる制御装置が実行する処理の手順を示すフローチャートである。

以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
＜内燃機関及び制御装置の構成＞
図１に示すように、車両５００には、複数の気筒＃１～＃４を備える内燃機関１０が搭載されている。内燃機関１０は、アルコール燃料とガソリン燃料とが任意の割合で混合された燃料を機関燃料として使用可能なフレキシブル燃料エンジンとして構成されている。なお、この混合燃料におけるアルコール燃料の割合は、０％以上１００％以下の範囲で変化する。つまり、内燃機関１０で使用される燃料としては、アルコール燃料のみ（混合燃料中のアルコール燃料の割合が「１００％」の場合）、ガソリン燃料（混合燃料中のガソリン燃料の割合が「１００％」の場合）のみ、そしてアルコール燃料とガソリン燃料とが混合された混合燃料が想定されている。

内燃機関１０の吸気通路１２には、スロットルバルブ１４が設けられている。
吸気通路１２の下流部分に設けられた分岐管１２ａには、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁１６が設けられている。

吸気通路１２を流れる空気やポート噴射弁１６から噴射された燃料は、吸気バルブ１８の開弁に伴って各気筒＃１～＃４の燃焼室２０に流入する。
また、内燃機関１０の各気筒＃１～＃４には、燃焼室２０内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁２２がそれぞれ設けられている。それら筒内噴射弁２２は、デリバリパイプ２３に接続されている。デリバリパイプ２３には、燃料タンク（図示略）からの燃料を加圧して同デリバリパイプ２３に高圧燃料を送る高圧ポンプ３００が接続されている。また、デリバリパイプ２３には、筒内噴射弁２２に供給される燃料の圧力である燃圧ＰＦを検出する燃圧センサ８９が取り付けられている。

燃焼室２０内に供給された空気及び燃料の混合気は、点火プラグ２４の火花放電に伴って燃焼に供される。そのときに生成される燃焼エネルギは、出力軸２６の回転エネルギに変換される。

燃焼室２０において燃焼に供された混合気は、排気バルブ２８の開弁に伴い排気として排気通路３０に排出される。
出力軸２６は、動力分割装置を構成する遊星歯車機構５０のキャリアＣに機械的に連結されている。遊星歯車機構５０のサンギアＳには、第１モータジェネレータ（以下、第１ＭＧと記載）５２の回転軸５２ａが機械的に連結されている。また、遊星歯車機構５０のリングギアＲには、第２モータジェネレータ（以下、第２ＭＧと記載）５４の回転軸５４ａと駆動輪６０とが機械的に連結されている。第１ＭＧ５２は、機関出力を利用して発電を行う発電機として機能するとともに、内燃機関１０の始動時には出力軸２６のクランキングを行う始動用スタータ（電動機）として機能する。また、第２ＭＧ５４は、駆動輪６０の駆動力を発生する電動機として機能するとともに、車両５００の減速時には回生ブレーキによる発電を行う発電機として機能する。

第１ＭＧ５２及び第２ＭＧ５４は、ＰＣＵ（Power Control Unit）２００を介してバッテリ２５０との間で電力の授受を行う。ＰＣＵ２００は、バッテリ２５０から入力された直流電圧を昇圧して出力するコンバータや、コンバータで昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して各ＭＧ５２、５４に出力するインバータなどを備えている。

制御装置７０は、内燃機関１０を制御対象とし、その制御量としてのトルクや排気成分比率等を制御するために、スロットルバルブ１４、ポート噴射弁１６、筒内噴射弁２２、点火プラグ２４、及び高圧ポンプ３００等の内燃機関１０の各操作部を操作する。なお、図１には、スロットルバルブ１４、ポート噴射弁１６、筒内噴射弁２２、及び点火プラグ２４のそれぞれの操作信号ＭＳ１～ＭＳ４を記載している。

また、制御装置７０は、第１ＭＧ５２を制御対象とし、その制御量である回転速度を制御すべく、ＰＣＵ２００を介してインバータを操作する。
また、制御装置７０は、第２ＭＧ５４を制御対象とし、その制御量であるトルクを制御すべく、ＰＣＵ２００を介してインバータを操作する。

制御装置７０は、内燃機関１０の制御量を制御するために、エアフローメータ８０によって検出される吸入空気量Ｇａ、クランク角センサ８２の出力信号Ｓｃｒ、水温センサ８６によって検出される冷却水温ＴＨＷを参照する。また、制御装置７０は、吸気圧センサ８７によって検出される値であってスロットルバルブ１４よりも下流側の吸気通路１２内の圧力である吸気圧ＰＭを参照する。また、制御装置７０は、アルコールセンサ８８によって検出される燃料中のアルコール濃度ＡＤを参照する。また、制御装置７０は、第１ＭＧ５２や第２ＭＧ５４の制御量を制御するために、第１ＭＧ５２の回転角を検知する第１回転角センサ９０の出力信号Ｓｍ１や、第２ＭＧ５４の回転角を検知する第２回転角センサ９２の出力信号Ｓｍ２を参照する。また、制御装置７０は、アクセルセンサ９４によって検出されるアクセルペダルの踏み込み量であるアクセル操作量ＡＣＣＰや、車速センサ９５によって検出される車両５００の車速ＳＰを参照する。また、制御装置７０は、ＰＣＵ２００が算出するバッテリ２５０の充電率（以下、ＳＯＣという）を参照する。

なお、図示はしないが、制御装置７０は、内燃機関１０の制御ユニットやＰＣＵ２００の制御ユニットなど、複数の制御ユニットで構成されている。
制御装置７０は、クランク角センサ８２の出力信号Ｓｃｒに基づいて機関回転速度ＮＥを算出する。また、制御装置７０は、機関回転速度ＮＥ及び吸入空気量Ｇａに基づいて、機関負荷率ＫＬを算出する。ここで、機関負荷率ＫＬとは、現状の機関回転速度ＮＥにおいてスロットルバルブ１４を全開とした状態で内燃機関１０を定常運転したときの気筒流入空気量に対する、現在の気筒流入空気量の比率を表している。なお、気筒流入空気量は、吸気行程において各気筒に流入する吸気の量である。また、制御装置７０は、出力信号Ｓｍ１に基づいて第１ＭＧ５２の回転速度を算出する。また、制御装置７０は、出力信号Ｓｍ２に基づいて第２ＭＧ５４の回転速度を算出する。

制御装置７０は、ＣＰＵ７２、ＲＯＭ７４、及び周辺回路７６を備えており、それらが通信線７８によって通信可能とされている。ここで、周辺回路７６は、内部の動作を規定するクロック信号を生成する回路や、電源回路、リセット回路等を含む。制御装置７０は、ＲＯＭ７４に記憶されたプログラムをＣＰＵ７２が実行することにより各種の制御量を制御する。

例えば、制御装置７０は、アクセル操作量ＡＣＣＰ及び車速ＳＰに基づいて車両５００の要求トルクを算出する。また、制御装置７０は、車両５００の要求トルクを満たすように内燃機関１０の要求出力ＰＥや、第１ＭＧ５２及び第２ＭＧ５４の出力トルクなどを制御する。

また、制御装置７０は、既定の停止条件が成立すると内燃機関１０の運転を自動停止させるとともに、既定の始動条件が成立すると内燃機関１０を自動始動させる間欠運転を実施する。

＜制御装置７０が実行する処理について＞
制御装置７０は、機関始動時において図2に示す処理を実行する。
図２に、制御装置７０が実行する処理の手順を示す。図２に示す処理は、ＲＯＭ７４に記憶されたプログラムをＣＰＵ７２が実行することにより実現される。なお、図２に示す処理は、上述した間欠運転による機関の自動始動、あるいは車両運転者による機関始動操作が行われることによりクランキングが開始されると実行される。また、以下では、先頭に「Ｓ」が付与された数字によって各処理のステップ番号を表現する。

図２に示す一連の処理において、ＣＰＵ７２は、アルコール濃度ＡＤを取得する（Ｓ１００）。
次に、ＣＰＵ７２は、取得したアルコール濃度ＡＤが判定値ＡＤｒｅｆ以上であるか否かを判定する（Ｓ１１０）。判定値ＡＤｒｅｆは、後述の負圧確保処理の実行が望まれる程度に燃料の気化性が低下するアルコール濃度の最低値であり、予め定められている。

そして、アルコール濃度ＡＤが判定値ＡＤｒｅｆ以上であると判定する場合（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ７２は、アルコール濃度ＡＤに基づいて要求吸気圧ＰＭｄを算出する（Ｓ１２０）。要求吸気圧ＰＭｄは、アルコール濃度ＡＤが判定値ＡＤｒｅｆ以上の混合燃料についてその気化を促すために必要な負圧である。そして、ＣＰＵ７２は、アルコール濃度ＡＤが高いほど要求吸気圧ＰＭｄの値が小さくなるように、つまり負圧が大きくなるように、予め定められたマップ等を参照して同要求吸気圧ＰＭｄの値を算出する。

次に、ＣＰＵ７２は、負圧確保処理を実行する（Ｓ１３０）。
この負圧確保処理は、吸気圧を低下させて吸気通路１２や気筒内を減圧することにより、燃料噴射弁から噴射された燃料の気化を促す処理であり、ＣＰＵ７２は以下の処理を実行する。すなわち、ＣＰＵ７２は、要求吸気圧ＰＭｄに基づいてモータリング回転速度ＮＥｍ及び目標開度ＴＡｔを算出する。モータリング回転速度ＮＥｍは、クランキング中の機関回転速度ＮＥであり、第１ＭＧ５２の回転速度制御を通じて調整される。目標開度ＴＡｔは、クランキング中のスロットルバルブ１４の開度目標値である。ＣＰＵ７２は、要求吸気圧ＰＭｄが得られるモータリング回転速度ＮＥｍ及び目標開度ＴＡｔを、予め定められたマップ等を参照して算出する。なお、基本的には、要求吸気圧ＰＭｄが小さいほどモータリング回転速度ＮＥｍは高い速度となるように算出される。また、要求吸気圧ＰＭｄが小さいほど目標開度ＴＡｔは小さい開度となるように、つまり閉じ側の開度となるように算出される。こうして、モータリング回転速度ＮＥｍ及び目標開度ＴＡｔを算出すると、ＣＰＵ７２は、モータリング回転速度ＮＥｍ及び目標開度ＴＡｔが得られるように第１ＭＧ５２の回転速度及びスロットルバルブ１４の開度を調整する。

次に、ＣＰＵ７２は、センサにて検出される吸気圧ＰＭが要求吸気圧ＰＭｄ以下であるか否かを判定する（Ｓ１４０）。そして、吸気圧ＰＭが要求吸気圧ＰＭｄ以下ではないと判定する場合には（Ｓ１４０：ＮＯ）、吸気圧ＰＭが要求吸気圧ＰＭｄ以下になるまでＳ１４０の処理を繰り返し実行する。

一方、Ｓ１４０にて吸気圧ＰＭが要求吸気圧ＰＭｄ以下であると判定する場合（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ７２は、予め定められたマップ等を参照して機関始動時の燃料噴射量Ｑａを算出する（Ｓ１５０）。この燃料噴射量Ｑａは、ポート噴射弁１６から噴射する燃料量と筒内噴射弁２２から噴射する燃料量の和、つまり１つの気筒に対して供給される燃料量である。また、この燃料噴射量Ｑａは、次のような量である。

すなわち、同一のアルコール濃度の機関燃料を使用すると仮定して、上記の負圧確保処理を実行しない場合において機関始動時に必要な燃料噴射量を非実行時噴射量とし、負圧確保処理を実行する場合において機関始動時に必要な燃料噴射量を実行時噴射量とする。そして、上記実行時噴射量は上記非実行時噴射量よりも少ない量に設定されるものであり、同実行時噴射量が燃料噴射量Ｑａとして設定される。

次に、ＣＰＵ７２は、燃料噴射時期が到来したタイミングで燃料噴射を開始して（Ｓ１７０）、本処理を終了する。
上記Ｓ１１０にて、アルコール濃度ＡＤが判定値ＡＤｒｅｆ以上ではないと判定する場合（Ｓ１１０：ＮＯ）、ＣＰＵ７２は、予め定められたマップ等を参照して機関始動時の燃料噴射量Ｑｂを算出する（Ｓ１６０）。この燃料噴射量Ｑｂも、ポート噴射弁１６から噴射する燃料量と筒内噴射弁２２から噴射する燃料量の和、つまり１つの気筒に対して供給される燃料量である。また、この燃料噴射量Ｑｂとしては、アルコール濃度ＡＤが判定値ＡＤｒｅｆ未満である混合燃料を使用する場合において、燃焼に寄与する燃料量を機関始動時に適切に確保できる量が設定される。こうして燃料噴射量Ｑｂを算出すると、次に、ＣＰＵ７２は、燃料噴射時期が到来したタイミングで燃料噴射を開始して（Ｓ１７０）、本処理を終了する。

＜作用及び効果＞
本実施形態の作用及び効果を説明する。
本実施形態では、機関始動に際して上記の負圧確保処理が実行される。これによりクランキング中の吸気圧は、アルコール濃度ＡＤに基づいて算出される要求吸気圧ＰＭｄ以下となるように調整される。そして、クランキング中の吸気圧が要求吸気圧ＰＭｄ以下になった以降に燃料噴射が開始される。そのため、アルコール濃度が高い混合燃料であっても、そうしたクランキング中の吸気圧低下による減圧効果により気化が促進されることにより混合気の着火性が向上する。このようにして着火性が向上するため、機関始動時の燃料噴射量を少なくしても機関の始動性を適切に確保することができる。

そこで、本実施形態では、同一のアルコール濃度の機関燃料を使用すると仮定して、負圧確保処理を実行しない場合において機関始動時に必要な燃料噴射量を非実行時噴射量とし、負圧確保処理を実行する場合において機関始動時に必要な燃料噴射量を実行時噴射量としたときに、負圧確保処理を実行する場合の機関始動時の燃料噴射量Ｑａを非実行時噴射量よりも少ない量に設定している。負圧確保処理が実行される場合には機関始動時の燃料噴射量が少なくされるため、機関始動時における未燃燃料の排出量、つまりＨＣ排出量を低減することができる。

＜変更例＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・図２に示したＳ１４０では、要求吸気圧ＰＭｄが得られているか否かをセンサで検出した吸気圧ＰＭにて判定するようにした。この他、第１ＭＧ５２の回転速度が上記モータリング回転速度ＮＥｍ以上であり、且つスロットルバルブ１４の開度が上記目標開度ＴＡｔ以下である場合に要求吸気圧ＰＭｄが得られていると判定してもよい。

・ＳＯＣが少ない場合には、上記モータリング回転速度ＮＥｍが得られないおそれがある。また、上記負圧確保処理を実行すると機関始動時の消費電力が増加するため、ＳＯＣが少ないときに同負圧確保処理を実行すると、ＳＯＣが過度に低下するおそれがある。そこで、機関始動時のＳＯＣに応じてモータリング回転速度ＮＥｍを制限してもよい。例えば、機関始動時のＳＯＣが既定値以下の場合には、ＳＯＣが少ないときほどモータリング回転速度ＮＥｍが低い速度となるように同モータリング回転速度ＮＥｍを変更してもよい。なお、この場合において要求吸気圧ＰＭｄを確保することが困難になる場合には、機関始動時の燃料噴射量Ｑａを増量補正するようにしてもよい。また、機関始動時のＳＯＣが既定値以下の場合には、上記負圧確保処理の実行を禁止してもよい。

・内燃機関１０は、ポート噴射弁１６を備えない内燃機関でもよい。また、内燃機関１０は、筒内噴射弁２２を備えない内燃機関でもよい。
・上記実施形態において、車両５００の構成は上記実施形態の例に限定されない。例えば、第１ＭＧ５２や第２ＭＧ５４が搭載されておらず、内燃機関１０のみを原動機として搭載する車両でもよい。この内燃機関１０のみを原動機として搭載する車両の場合には、負圧確保処理の実行に際して第１ＭＧ５２の代わりにスタータモータを利用すればよい。

・制御装置７０としては、ＣＰＵ７２とＲＯＭ７４とを備えて、ソフトウェア処理を実行するものに限らない。たとえば、上記実施形態においてソフトウェア処理されたものの少なくとも一部を、ハードウェア処理するたとえばＡＳＩＣ等の専用のハードウェア回路を備えてもよい。すなわち、制御装置は、以下の（ａ）～（ｃ）のいずれかの構成であればよい。（ａ）上記処理の全てを、プログラムに従って実行する処理装置と、プログラムを記憶するＲＯＭ等のプログラム格納装置とを備える。（ｂ）上記処理の一部をプログラムに従って実行する処理装置およびプログラム格納装置と、残りの処理を実行する専用のハードウェア回路とを備える。（ｃ）上記処理の全てを実行する専用のハードウェア回路を備える。ここで、処理装置およびプログラム格納装置を備えたソフトウェア実行装置や、専用のハードウェア回路は複数であってもよい。

１０…内燃機関
１２…吸気通路
１４…スロットルバルブ
１６…ポート噴射弁
２０…燃焼室
２２…筒内噴射弁
２６…出力軸
３０…排気通路
５０…遊星歯車機構
５２…第１モータジェネレータ
５４…第２モータジェネレータ
６０…駆動輪
７０…制御装置
７２…ＣＰＵ
７４…ＲＯＭ
８６…水温センサ
８７…吸気圧センサ
８８…アルコールセンサ
９４…アクセルセンサ
９５…車速センサ
２００…ＰＣＵ
２５０…バッテリ
５００…車両

Claims (1)

1. アルコール燃料とガソリン燃料とが任意の割合で混合された機関燃料を使用する内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の出力軸には機関始動時のクランキングを行う電動機が繋がっており、
   前記制御装置は、
   前記機関燃料のアルコール濃度を取得する処理と、
   取得した前記アルコール濃度に基づいてクランキング中の要求吸気圧を算出する処理と、
   クランクキング中の吸気圧が前記要求吸気圧以下となるようにクランキング中の機関回転速度及び吸気通路に設けられたスロットルバルブの開度を調整する負圧確保処理と、
   クランキング中の吸気圧が前記要求吸気圧以下になった以降に燃料噴射を開始する処理と、を実行するとともに、
   同一のアルコール濃度の機関燃料を使用すると仮定して、前記負圧確保処理を実行しない場合において機関始動時に必要な燃料噴射量を非実行時噴射量とし、前記負圧確保処理を実行する場合において機関始動時に必要な燃料噴射量を実行時噴射量としたときに、前記実行時噴射量は前記非実行時噴射量よりも少ない量に設定される
   内燃機関の制御装置。

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