JP4462253B2 - ハイブリッド型動力発生装置における内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明はハイブリッド型動力発生装置における内燃機関の制御装置に関する。

従来から、内燃機関及び電気モータを具備したハイブリッド型動力発生装置が知られている。この動力発生装置では、例えば動力発生装置に対する要求負荷が低いときには内燃機関の運転を停止し電気モータのみを運転して電気モータが発生した動力を出力するようにし、要求負荷が閾値よりも高くなると内燃機関の運転を開始して内燃機関及び電気モータ両方が発生した動力を出力するようにしている。このようにすると、ポンピングロスの大きい機関低負荷運転が行われないので、内燃機関の燃料消費率を低減することができる。

ところが、機関運転を開始すべきときに触媒温度は必ずしも高くなく、したがってこのとき機関運転を開始しても触媒の良好な排気浄化作用を得ることができない場合がある。

そこで、機関運転が開始された後、筒内充填空気量を増大しかつ点火時期を遅角するようにした内燃機関が公知である（特許文献１参照）。点火時期を遅角すると排気ガス温度を高めることができるので、触媒温度を早期に上昇させることができる。また、このとき筒内充填空気量を増大させることにより、点火時期遅角に伴うトルク変動を抑制することができる。

特開２００４−１２４８２６号公報

しかしながら、筒内充填空気量が増大されると機関から多量の排気ガスが排出される。したがって、筒内温度が十分に上昇するまでは燃焼室から多量の未燃ＨＣが排出されるおそれがあり、触媒温度が十分に上昇するまではこの多量の未燃ＨＣを効果的に浄化できないおそれがある。また、筒内充填空気量が増大されると筒内圧が高くなるので、筒内温度が低いときに生じる多量の未燃ＨＣが燃焼室の内壁面に付着し又はクレビスに入り込むおそれもある。

前記課題を解決するために本発明によれば、内燃機関及び電気モータを具備したハイブリッド型動力発生装置において、機関全負荷に対する機関負荷の割合が予め定められた設定値よりも高い状態の下で機関運転が開始されるようになっており、機関運転を開始すべきときにはまず、筒内に充填された空気量である筒内充填空気量を低減しかつ点火時期を進角した第１の運転制御でもって機関運転を開始し、次いで筒内温度が予め定められた設定温度よりも高くなると筒内充填空気量を増大しかつ点火時期を遅角した第２の運転制御に切り換えるようにしている。

多量の未燃ＨＣが触媒から排出されるのを阻止すると共にトルク変動を抑制しつつ、触媒温度を速やかに上昇させることができる。

図１は内燃機関及び電気モータを具備した車両用ハイブリッド型動力発生装置に本発明を適用した場合を示している。図１を参照すると、内燃機関Ａの出力軸すなわちクランクシャフトは動力分割機構Ｂの入力側に連結される。動力分割機構Ｂの出力側は一方では減速機Ｃを介して車両の車軸Ｄに連結され、他方では発電機Ｅに連結される。電気モータＦの出力軸も減速機Ｃを介して車両の車軸Ｄに連結される。発電機Ｅ及び電気モータＦはインバータＧを介して蓄電池Ｈに電気的に接続される。なお、例えば内燃機関Ａの運転開始時には発電機Ｅが電気モータとして作動し、減速運転時には電気モータＦが発電機として作動しうる。

図２を参照すると、１は例えば四つの気筒を備えた機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポート、１０は点火栓をそれぞれ示す。吸気ポート７は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には吸入空気質量流量Ｇａを検出するためのエアフローメータ１５と、ステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７とが配置される。

各気筒の吸気ポート７内には電気制御式の燃料噴射弁１８が配置される。燃料噴射弁１８は燃料蓄圧室すなわちコモンレール１９と、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２０とを介して燃料タンク２１に連結される。燃料タンク２１内の燃料は燃料ポンプ２０からコモンレール１９内に供給され、コモンレール１９から燃料噴射弁１８に供給される。コモンレール１９にはコモンレール１９内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ（図示しない）が取り付けられ、燃料圧センサの出力信号に基づいてコモンレール１９内の燃料圧が目標値に一致するように燃料ポンプ２０の吐出量が制御される。

また、吸気弁６及び排気弁８にはそれらの開弁動作を制御するための可変動弁機構２３，２４がそれぞれ設けられる。すなわち、可変動弁機構２３，２４により、吸気弁６及び排気弁８の開弁動作例えば開弁時期（位相）、最大リフト量、及び開弁期間（作用角）のうち少なくとも１つがそれぞれ変更可能になっている。

一方、排気ポート９は排気マニホルド３０を介して小容量の触媒３１に連結され、触媒３１は排気管３２を介して大容量の触媒３３に連結され、触媒３３は排気管３４に連結される。また、排気管３２には空燃比を検出するための空燃比センサ３５が取り付けられ、排気管３４には触媒３３から流出する排気ガスの温度を検出するための温度センサ３６が取り付けられる。この排気ガスの温度は触媒３３の温度ＴＣＡＴを表している。

電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。機関本体１には機関冷却水温ＴＨＷを検出するための水温センサ２５が取り付けられる。また、アクセルペダル４９にはアクセルペダル４９の踏み込み量を検出するための負荷センサ５０が接続される。このアクセルペダル４９の踏み込み量はハイブリッド型動力発生装置に対する要求負荷を表している。エアフローメータ１５、空燃比センサ３５、温度センサ３６、及び負荷センサ５０の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５１が接続される。ＣＰＵ４４ではクランク角センサ５１の出力パルスに基づいて機関回転数Ｎｅが算出される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して点火栓１０、ステップモータ１６、燃料噴射弁１８、燃料ポンプ２０、及び可変動弁機構２３，２４にそれぞれ接続され、これらは電子制御ユニット４０からの出力信号に基づいて制御される。

図１の動力発生装置では、概略的に言うと、動力発生装置に対する要求負荷Ｌが低いときには機関運転が停止され、要求負荷Ｌが第１の設定負荷Ｌ１よりも高くなると機関運転が開始される。いったん機関運転が開始されたのちは、要求負荷Ｌが第２の設定負荷Ｌ２（＜Ｌ１）よりも低くなると機関運転が停止される。一方、電気モータＦは動力が要求される限り、その運転が継続される。なお、例えば蓄電池Ｈの蓄電量が少なくなったときには発電機Ｅを駆動するために内燃機関Ａの運転が開始される。このようにすると、機関低負荷運転が行われないので、内燃機関Ａの燃料消費率を低減することができる。

この場合、内燃機関Ａに対する負荷を考えると、機関全負荷に対する機関負荷の割合が予め定められた設定値よりも高い状態の下で機関運転が開始されるということになる。言い換えると、機関中高負荷状態で機関運転が開始される。

図４は本発明による実施例における機関運転制御を示している。図４においてＸで示されるように機関運転を開始すべきときにはまず、筒内に充填された空気量である筒内充填空気量ＭＣＹＬ（＝Ｇａ／Ｎｅ）をＭＣＹＬ１とし点火時期θをθ１とする第１の運転制御が行われる。次いで、筒内充填空気量ＭＣＹＬをＭＣＹＬ１よりも多いＭＣＹＬ２とし点火時期θをθ１よりも遅角側のθ２とする第２の運転制御に切り換えられる。次いで、筒内充填空気量ＭＣＹＬをＭＣＹＬ１，ＭＣＹＬ２よりも少ないＭＣＹＬＮとし点火時期θをθ１，θ２よりも進角側のθＮとする通常運転制御が行われる。ここで、筒内温度ＴＣＹＬは例えば機関冷却水温ＴＨＷによって表される。

第２の運転制御のように、通常運転制御に比べて筒内充填空気量ＭＣＹＬを増大しかつ点火時期θを遅角させることにより、機関出力トルク変動を抑制しつつ排気ガス温度を高くすることができ、したがって触媒温度ＴＣＡＴを速やかに上昇させることができる。

ところが、機関運転開始時に第２の運転制御を行うと、このとき筒内温度ＴＣＹＬは高くないので高濃度の未燃ＨＣが排出されるおそれがある。この場合に筒内充填空気量ＭＣＹＬを増大すると、多量の未燃ＨＣが燃焼室５から排出されることになる。さらに、このとき触媒温度ＴＣＡＴも高くないのでこの多量の未燃ＨＣを良好に浄化できないおそれがある。

特に、図１の内燃機関Ａでは上述したように機関中高負荷状態で運転が開始される。したがって、通常運転制御における筒内充填空気量ＭＣＹＬＮは多く、筒内充填空気量ＭＣＹＬをこのＭＣＹＬＮよりも多くした場合には、排出される未燃ＨＣ量はさらに増大する。

そこで本発明による実施例では、機関運転を開始すべきときには、第２の運転制御に比べて筒内充填空気量ＭＣＹＬを抑制し点火時期θを進角させた第１の運転制御を行うようにしている。このようにすると排気ガス量を低減できるので多量の未燃ＨＣが排出されるのを阻止でき、筒内圧を低減できるので燃焼室５の内壁面等に付着する未燃ＨＣ量を低減できる。また、筒内温度ＴＣＹＬを速やかに上昇させることができる。

第１の運転制御が行われると図４に示されるように筒内温度ＴＣＹＬが次第に上昇し、次いで予め定められた第１の設定温度Ｔ１よりも高くなると、第１の運転制御から第２の運転制御に切り換えられる。この場合、第１の設定温度Ｔ１は燃焼室５内での燃焼が良好になって燃焼室５内で生ずる未燃ＨＣの量が目標値よりも少なくなる温度と考えることができる。

機関運転が開始されると図４に示されるように触媒温度ＴＣＡＴが次第に上昇し、次いで予め定められた第２の設定温度Ｔ２よりも高くなると、第２の運転制御から通常運転制御に切り換えられる。この場合、第２の設定温度Ｔ２は触媒３３の活性温度と考えることができ、通常運転制御は暖気完了後の機関運転制御と考えることができる。

図５は本発明による実施例の機関運転制御を実行するためのルーチンを示している。

図５を参照すると、まず初めにステップ１００では機関運転を開始すべきか否かが判別される。機関運転を開始すべきでないときには処理サイクルを終了し、機関運転を開始すべきときには次いでステップ１０１に進み、例えば機関冷却水温ＴＨＷで表される筒内温度ＴＣＹＬが第１の設定温度Ｔ１よりも高いか否かが判別される。ＴＣＹＬ≦Ｔ１のときには次いでステップ１０２に進み、第１の運転制御を行ってステップ１０１に戻る。ＴＣＹＬ＞Ｔ１のとき又はＴＣＹＬ＞Ｔ１になったときにはと次いでステップ１０１からステップ１０３に進み、触媒温度ＴＣＡＴが第２の設定温度Ｔ２よりも高いか否かが判別される。ＴＣＡＴ≦Ｔ２のときには次いでステップ１０４に進み、第２の運転制御を行ってステップ１０３に戻る。ＴＣＡＴ＞Ｔ２のとき又はＴＣＡＴ＞Ｔ２になったときには次いでステップ１０４からステップ１０５に進み、通常運転制御が行われる。

次に、図６から図８を参照して本発明による実施例の吸気弁６及び排気弁８の開弁動作制御を説明する。図６から図８において、ＩＶＯは吸気弁開弁時期、ＩＶＣは吸気弁閉弁時期、ＥＶＯは排気弁開弁時期、ＥＶＣは排気弁閉弁時期、ＴＤＣは上死点、ＢＤＣは下死点、ＩＮは吸気弁リフト曲線、ＥＸは排気弁リフト曲線をそれぞれ表している。

図６（Ａ）は第２の運転制御時における吸気弁６及び排気弁８の開弁動作の一例を示している。この場合、第１の運転制御時には図６（Ｂ）に示されるように、吸気弁閉弁時期ＩＶＣを例えば吸気ＢＤＣ後９０度以上まで遅角させ、それにより第２の運転制御時に比べて筒内充填空気量ＭＣＹＬを低減するようにすることができる。

図６（Ｂ）のように吸気弁閉弁時期ＩＶＣを遅角すると圧縮比が低下するので燃焼が悪化するおそれがある。そこで、この場合には図６（Ｃ）に示されるように、吸気弁開弁時期ＩＶＯを吸気ＴＤＣ以降まで遅角させることもできる。このようにすると、吸気弁開弁時期ＩＶＯ直前に燃焼室５内に負圧が生じているので、吸気弁６が開弁すると燃焼室５内に吸気ガスが一気に燃焼室５内に流入し、燃焼室５内の乱れが増大されて燃焼悪化が抑制される。

あるいは、図７に示されるように、第１の運転制御時における吸気弁リフト量ＩＮ１を第２の運転制御時における吸気弁リフト量ＩＮ２よりも小さくし、それにより筒内充填空気量ＭＣＹＬを低減するようにすることもできる。

あるいは、第１の運転制御における排気弁開弁時期ＥＶＯを図８（Ａ）に示されるように、図６（Ａ）に示される第２の運転制御時におけるよりも遅角するようにすることもできる。このようにすると、燃焼室５内での燃焼時間を長くすることができるので筒内温度ＴＣＹＬを速やかに上昇させることができる。一方、第２の運転制御における排気弁開弁時期ＥＶＯを図８（Ｂ）に示されるように、図６（Ａ）の例よりも進角させることもできる。このようにすると、排気ガスのもつ熱エネルギが増大され、触媒温度ＴＣＡＴを速やかに上昇させることができる。

第１の運転制御における排気弁閉弁時期ＥＶＣを図８（Ｃ）に示されるように、図６（Ａ）に示される第２の運転制御時におけるよりも進角するようにすることもできる。このようにすると、燃焼室５内から排気通路内に排出される未燃ＨＣ量を低減できる。また、この場合、筒内残留ガス量が増大するので、吸気弁開弁時期ＩＶＯ直前における筒内圧を高めることができる。その結果、吸気弁６が開弁したときに燃焼室５から吸気ポート７内に逆流が生じ、これによって燃料微粒化を促進できる。次いで第２の運転制御に切り換えるべきときには、例えば図６（Ａ）に示されるＥＶＣまで排気弁閉弁時期を遅角すれば、それによって残留ガス量が低減され、燃焼悪化が抑制される。

このような吸気弁６及び排気弁８の開閉弁動作はさまざま組み合わせが可能である。

ハイブリッド型動力発生装置の全体図である。 内燃機関の全体図である。 本発明による実施例の内燃機関の作動を説明するための図である。 本発明による実施例の機関運転制御を説明するためのタイムチャートである。 本発明による実施例の機関運転制御ルーチンを実行するためのフローチャートである。 吸気弁及び排気弁の開閉弁動作の様々な実施例を示す図である。 吸気弁及び排気弁の開閉弁動作の様々な実施例を示す図である。 吸気弁及び排気弁の開閉弁動作の様々な実施例を示す図である。

符号の説明

Ａ 内燃機関
Ｆ 電気モータ
１ 機関本体
６ 吸気弁
８ 排気弁
１０ 点火栓
２３，２４ 可変動弁機構
２５ 水温センサ
３１，３３ 触媒
３６ 温度センサ

Claims (4)

1. 内燃機関及び電気モータを具備したハイブリッド型動力発生装置において、機関全負荷に対する機関負荷の割合が予め定められた設定値よりも高い状態の下で機関運転が開始されるようになっており、機関運転を開始すべきときに筒内温度が第１の設定温度よりも低いときにはまず第１の運転制御でもって機関運転を開始し、次いで筒内温度が予め定められた第１の設定温度よりも高くなると第１の運転制御から第２の運転制御に切り換え、次いで触媒温度が予め定められた第２の設定温度よりも高くなると第２の運転制御から通常運転制御に切り換え、第２の運転制御における筒内充填空気量は通常運転制御における筒内充填空気量よりも多くされると共に、第２の運転制御における点火時期は通常運転制御における点火時期よりも遅角され、第１の運転制御における筒内充填空気量は通常運転制御における筒内充填空気量よりも多くかつ第２の運転制御における筒内充填空気量よりも少なくされると共に、第１の運転制御における点火時期は通常運転制御における点火時期よりも遅角されかつ第２の運転制御における点火時期よりも進角される内燃機関の制御装置。
2. 吸気弁の開弁動作を制御可能な手段を具備し、吸気弁の開弁動作を制御することにより筒内充填空気量を制御するようにした請求項１に記載のハイブリッド型動力発生装置における内燃機関の制御装置。
3. 排気弁の開弁動作を制御可能な手段を具備し、第１の運転制御では排気弁開弁時期を遅角し、第２の運転制御では排気弁開弁時期を進角するようにした請求項１に記載のハイブリッド型動力発生装置における内燃機関の制御装置。
4. 排気弁の開弁動作を制御可能な手段を具備し、第１の運転制御では排気弁閉弁時期を進角し、第２の運転制御では排気弁閉弁時期を遅角するようにした請求項１に記載のハイブリッド型動力発生装置における内燃機関の制御装置。

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