JP4710697B2 - 内燃機関の制御装置およびハイブリッド車両 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置およびハイブリッド車両に関する。

ガソリンエンジンのような火花点火内燃機関においては、他の運転条件を一定とした場合、発生トルクが最大、つまり熱効率が最良となる点火時期が存在する。そのような点火時期をＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）という。ＭＢＴは、機関回転数や負荷によって変化し、更には空燃比や吸気温度などによっても変化する。

その一方で、点火時期がＭＢＴである場合には、筒内圧（燃焼圧）が最大となるクランク角は、他の運転条件によらず、ほぼ一定であることが知られている。実公平６−３１９２号公報には、このことを利用して、点火時期をＭＢＴに制御する内燃機関の点火時期制御装置が開示されている。すなわち、この装置では、筒内圧センサからの信号に基づいて筒内圧最大クランク角（筒内圧最大時期）を検出し、その検出値と、ＭＢＴに対応する目標値との偏差をフィードバックして点火時期を補正することにより、筒内圧最大クランク角が目標値に一致するように制御し、もって点火時期をＭＢＴに一致させるようにしている。

実公平６−３１９２号公報 特開２００４−２３９１３８号公報

一般に、火花点火内燃機関においては、点火時期を進角するほど、ノッキングが生じ易くなる。上記従来の装置によれば、ノッキングが生じない運転域であれば、点火時期をＭＢＴに制御することができる。しかしながら、実際上、高負荷域においては、ノッキングの発生により、点火時期をＭＢＴまで進められない場合が多い。このため、高負荷域においては、ＭＢＴよりも遅れた点火時期で運転せざるを得ない場合が多く、その結果として熱効率が低下し、燃費の改善が阻まれていた。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関のノックを回避しつつ、燃費性能を向上させることのできる内燃機関の制御装置およびハイブリッド車両を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
火花点火式の内燃機関に主燃料を供給する主燃料供給手段と、
燃焼促進作用を有する補助燃料を前記内燃機関に供給する補助燃料供給手段と、
前記内燃機関の筒内圧が最大となるクランク角である筒内圧最大クランク角を検出する筒内圧最大クランク角検出手段と、
前記筒内圧最大クランク角の検出値が、熱効率が最良となるように定められた筒内圧最大クランク角の目標値に比して遅れている場合には、前記補助燃料の添加割合が大きくなるように前記補助燃料の添加量を算出する補助燃料添加量算出手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記補助燃料が水素またはアルコールであることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記補助燃料添加量算出手段は、前記筒内圧最大クランク角の検出値が前記目標値に比して進んでいる場合には、前記補助燃料の添加割合が小さくなるように前記補助燃料の添加量を算出することを特徴とする。

また、第４の発明は、火花点火式の内燃機関と、他の動力源とを備え、前記他の動力源により駆動力をアシスト可能なハイブリッド車両であって、
前記内燃機関に主燃料を供給する主燃料供給手段と、
燃焼促進作用を有する補助燃料を前記内燃機関に供給する補助燃料供給手段と、
前記他の動力源に供給するためのエネルギーを蓄えるエネルギー蓄積手段と、
前記内燃機関の筒内圧が最大となるクランク角である筒内圧最大クランク角を検出する筒内圧最大クランク角検出手段と、
前記筒内圧最大クランク角の検出値と、熱効率が最良となるように定められた筒内圧最大クランク角の目標値との偏差が大きいほど、前記エネルギー蓄積手段から前記他の動力源へのエネルギー供給量を増加させることによって前記他の動力源による駆動力アシスト量を増加させるアシスト量増大手段と、
前記筒内圧最大クランク角の検出値と前記目標値との偏差に基づいて、実際の筒内圧最大クランク角が前記目標値に近づくように、前記補助燃料の添加割合を補正する補助燃料添加割合補正手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、筒内圧最大クランク角の検出値が、熱効率が最良となるように定められた目標値に比して遅れている場合には、燃焼促進作用を有する補助燃料の添加割合を大きくすることができる。補助燃料の添加割合が大きくなると、燃焼促進効果が増幅されるので、筒内圧最大クランク角の位置が早まり、熱効率が最良となるような目標値に近づけることができる。つまり、第１の発明によれば、点火時期を進角しなくても、熱効率最良状態（ＭＢＴ状態）に移行させることができる。よって、高負荷域であっても、ノッキングが障害となることがなく、熱効率最良状態での運転が可能となるので、燃費性能を向上することができる。

第２の発明によれば、補助燃料として水素またはアルコールを使用することにより、容易かつ確実に上記効果を得ることができる。

第３の発明によれば、筒内圧最大クランク角の検出値が、熱効率が最良となるように定められた目標値に比して進んでいる場合には、補助燃料の添加割合を小さくすることにより、筒内圧最大クランク角の位置を遅くすることができる。よって、筒内圧最大クランク角が上記目標値より進んでいる場合であっても、筒内圧最大クランク角を上記目標値に近づけることで、熱効率最良状態に移行させることができる。

第４の発明によれば、筒内圧最大クランク角の検出値と、熱効率が最良となるように定められた目標値との偏差が大きいほど、他の動力源による駆動力アシスト量を増加させることができる。このため、内燃機関の熱効率低下によって機関出力が不足した場合であっても、その不足を他の動力源によって補うことができるので、走行性能の低下を回避することができる。また、第４の発明によれば、筒内圧最大クランク角が、熱効率が最良となるように定められた目標値に近づくように、補助燃料の添加割合を補正することができる。つまり、点火時期を変えることなく、熱効率最良状態へ移行させることができる。このため、内燃機関の高負荷域であっても、ノッキングが障害となることなく、熱効率最良状態を得ることができる。ハイブリッド車両では、通常、内燃機関が高負荷域でのみ運転されるので、高負荷域での熱効率向上により、ハイブリッド車両の燃費性能を更に向上させることができる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本実施形態のシステムを説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、４サイクル火花点火式の内燃機関２を備えている。図１には、内燃機関２が備える複数の気筒のうちの一つのみが示されている。内燃機関２の各気筒には、ピストン３１と、吸気弁３２と、排気弁３３と、点火プラグ３４とが設けられている。

本実施形態の内燃機関２は、ガソリンを主燃料とし、水素（Ｈ_２）を補助燃料として運転可能になっている。内燃機関２の各気筒の吸気ポート３５には、ガソリンインジェクタ１０および水素インジェクタ１１がそれぞれ配置されており、ガソリンおよび水素ガスを吸気ポート３５内に噴射可能になっている。なお、ガソリンインジェクタ１０は、図示の構成と異なり、ガソリンを気筒内に直接に噴射可能に設置されていてもよい。また、水素インジェクタ１１も、水素ガスを気筒内に直接に噴射可能に設置されていてもよい。

本実施形態のシステムは、ガソリンを貯蔵するガソリンタンク１２と、圧縮水素ガスを貯蔵する水素タンク１３とを備えている。ガソリンタンク１２内のガソリンは、燃料ポンプ３６により加圧され、レギュレータバルブ３７で調圧された上で、ガソリンインジェクタ１０に供給される。水素タンク１３内の圧縮水素ガスは、レギュレータバルブ３８で調圧された上で、水素インジェクタ１１に供給される。

なお、本実施形態では、内燃機関２の主燃料としてガソリンを用いる場合について説明するが、本発明における内燃機関２の主燃料は、ガソリンに限定されるものではなく、例えば、ＬＰガス、天然ガス、有機ハイドライド等であってもよい。

また、本実施形態では、インジェクタ１１に供給するための水素ガスを気体のままで水素タンク１３に貯蔵する構成としているが、水素の貯蔵方法はこれに限定されるものではない。例えば、液体水素としてタンクに貯蔵したり、水素吸蔵合金に吸蔵させた状態で貯蔵したりしてもよい。また、シクロヘキサン、デカリン等の有機ハイドライド燃料を触媒によって脱水素反応させたり、水を電気分解したりすることによって、システム内で水素を生成するようにしてもよい。

また、内燃機関２には、吸気弁３２の開弁特性（開閉時期、作用角等）を可変とする吸気可変動弁機構３９と、排気弁３３の開弁特性を可変とする排気可変動弁機構４０とが備えられている。

更に、内燃機関２には、ターボ過給機４１が備えられている。ターボ過給機４１の排気タービンには、内燃機関２の排気通路１４が接続されており、排出ガスのエネルギーによってターボ過給機１４が作動する。

ターボ過給機４１の吸気圧縮機には、内燃機関２の吸気通路４２が接続されている。ターボ過給機４１の吸気圧縮機で圧縮されて温度上昇した吸入空気は、インタークーラ４３で冷却された後、吸気マニホールド（図示せず）により各気筒の吸気ポート３５に分配される。

インタークーラ４３の下流の吸気通路４２には、吸入空気量を調整するためのスロットル弁４４が設置されている。スロットル弁４４は、スロットルモータ（図示せず）により駆動される電子制御式スロットルである。また、ターボ過給機４１より上流側の吸気通路４２には、吸入空気量を検出するエアフロメータ４５が設置されている。なお、本発明では、内燃機関２は、過給機を備えない自然吸気エンジンであってもよい。

また、内燃機関２には、筒内圧センサ４６が設けられている。筒内圧センサ４６によれば、気筒内に生ずる圧力（燃焼圧）を検出することができる。

本実施形態のシステムは、更に、ECU(Electronic Control Unit)３０を備えている。ECU３０には、上述した各種のアクチュエータおよびセンサが接続されているほか、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ２３と、クランク角を検出するクランク角センサ４７とが接続されている。クランク角センサ４７によれば、内燃機関２のクランク軸の回転位置や回転速度（機関回転数NE）を検出することができる。ECU３０は、各センサからの検出信号に基づき、各アクチュエータの作動を制御することで、内燃機関２の運転状態を制御する。

［実施の形態１の特徴］
本実施形態の内燃機関２は、ガソリンインジェクタ１０から供給されるガソリンを主燃料とするとともに、必要に応じて、水素インジェクタ１１から補助燃料としての水素を供給することにより、運転される。

内燃機関２は、空気過剰率λ＝１（理論空燃比）あるいはλ＜１（リッチ空燃比）で運転するモードのほかに、λ＞１（リーン空燃比）で運転するモードに切り換え可能になっていてもよい。内燃機関２では、リーン空燃比で運転する場合、燃焼速度の速い水素を添加することにより、燃焼を促進・改善することができる。このため、希薄空燃比であっても安定して燃焼させることができるので、ガソリンのみで燃焼させる場合に比して、より希薄な空燃比でも運転することができる。

ここで、ＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）について説明する。図２は、内燃機関２の１サイクル中に生ずる筒内圧の波形の一例を示す図である。図２中の実線は燃焼時の筒内圧であり、破線はモータリング時の筒内圧である。図２に示すように、燃焼時には、筒内圧Pが最大となるクランク角は、通常、上死点(TDC)より後になる。以下、筒内圧Pが最大となるクランク角を「筒内圧最大クランク角」と称し、記号PmaxCAで表す。

図３は、筒内圧最大クランク角PmaxCAと点火時期SAとの関係を示す図である。同図に示すように、点火時期SAを早めるほど、筒内圧最大クランク角PmaxCAも早められ、上死点に近づく。逆に、点火時期SAを遅くするほど、筒内圧最大クランク角PmaxCAも遅くなり、上死点から離れる。

理論上の定容サイクルでは、上死点で瞬時に（つまり燃焼期間ゼロで）圧縮圧力から最高圧力になる場合が最も効率が良いが、ある程度の長さの燃焼期間を有する実際の内燃機関２では、点火時期SAを早めすぎると、筒内圧最大クランク角PmaxCAが上死点に近づきすぎて、上死点前に燃焼圧が作用する期間が長くなり、その結果、圧縮仕事が増大して出力（トルク）が低下する。逆に、点火時期SAが遅れすぎると、筒内圧最大クランク角PmaxCAが上死点から離れすぎて、実質的な膨張比が小さくなり、出力が低下する。このような理由から、内燃機関２には、一般に、出力が最高となる点火時期SA、つまり熱効率が最良となる点火時期SAが存在する。これがＭＢＴである。

ＭＢＴは、機関回転数NEや負荷（吸入空気量）によって変化し、更には空気過剰率λ（空燃比）や吸気温度によっても変化する。一方、上述したように、熱効率が最良となるかどうかは、筒内圧最大クランク角PmaxCAの位置によって決まるため、ＭＢＴ時、つまり熱効率最良時の筒内圧最大クランク角PmaxCAは、他の運転条件によらず、ほぼ一定の値をとる。この一定値、つまり熱効率が最良となる場合の筒内圧最大クランク角PmaxCAを以下「熱効率最良筒内圧最大クランク角」と称し、記号PmaxMBTCAで表す。

本実施形態の内燃機関２では、熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAは、他の運転条件によらず、１５°ATDCであるものとする。つまり、内燃機関２では、筒内圧最大クランク角PmaxCAが１５°ATDCのときに、熱効率が最良となるものとする。

従来の内燃機関においては、筒内圧最大クランク角PmaxCAの位置を動かすには、点火時期SAを変更しなければならなかった。このため、熱効率を最良とするためには、点火時期SAを変更することで筒内圧最大クランク角PmaxCAの位置を動かして、熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAに一致させる必要があった。しかしながら、高負荷域においては、ノッキングが発生し易いので、筒内圧最大クランク角PmaxCAが熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAに一致するところまで点火時期SAを進角できない場合が多かった。このため、高負荷域では、最良熱効率よりも低い熱効率で運転せざるを得ない場合が多かった。

これに対し、水素を補助燃料とする本実施形態の内燃機関２では、水素の添加割合（添加量）を変化させることにより、筒内圧最大クランク角PmaxCAの位置を動かすことができる。図４は、筒内圧最大クランク角PmaxCAと、点火時期SAと、水素添加割合との関係を示す図である。なお、図４中の水素添加割合の値は、熱量に換算した場合の値である。

水素は、ガソリンに比して燃焼速度が速いので、燃焼を促進させる作用を有している。よって、内燃機関２では、点火時期SAを変えなくても、水素添加割合を大きくすることで、筒内圧最大クランク角PmaxCAを早める（進角する）ことができる。このため、図４に示すように、水素添加割合を大きくするほど、図３のような筒内圧最大クランク角PmaxCAのグラフを進角側にシフトさせることができる。

内燃機関２では、上記のことを利用することにより、点火時期SAを変えなくても、熱効率が最良の状態を得ることができる。例えば、現在の点火時期SAが図４中の矢印で示す位置に設定されており、筒内圧最大クランク角PmaxCAが点Ａで示す値になっていたとする。点Ａでは、筒内圧最大クランク角PmaxCAが熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAである１５°ATDCに対して遅れているので、熱効率は最良とはなっていない。この場合に、水素添加割合を５ポイント大きくする（１５％→２０％）と、筒内圧最大クランク角PmaxCAの位置を早めて（進角させて）、熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAに一致させることができる。このようにして、内燃機関２では、点火時期SAを進角しなくても、水素添加割合を大きくすることで、熱効率最良状態に移行させることができる。

そこで、本実施形態では、筒内圧センサ４６の信号に基づいて現在の筒内圧最大クランク角PmaxCAを検出し、その検出値と、所定の熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAとの偏差ΔPmaxCAに応じて水素添加割合を補正することにより、筒内圧最大クランク角PmaxCAが熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAに一致するように制御することとした。

具体的には、筒内圧最大クランク角PmaxCAを熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAに一致させるために必要な水素添加割合の補正値KPmaxを算出することとした。この補正値KPmaxは、後述するように、基準の水素添加割合HR1に加算される値である。図５は、筒内圧最大クランク角PmaxCAと、熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAとの偏差ΔPmaxCAに応じて、補正値KPmaxを算出するためのマップである。本実施形態では、図５に示すマップがECU３０に予め記憶されており、このマップを参照して補正値KPmaxを算出するものとする。

なお、図５に示すマップは、次のようにして作成することができる。まず、内燃機関２における筒内圧最大クランク角PmaxCAと、点火時期SAと、水素添加割合との関係、つまり図４に示すような関係を、実験に基づいて調査する。この調査結果によれば、水素添加割合をどれだけ変化させると、筒内圧最大クランク角PmaxCAがどれだけ移動するかを把握することができる。この把握に基づき、偏差ΔPmaxCAと、筒内圧最大クランク角PmaxCAを偏差ΔPmaxCA分だけ移動させるのに必要な水素添加割合の補正値KPmaxとの関係をマップ化すれば、図５に示すマップを得ることができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図６は、上記の機能を実現するために本実施形態においてECU３０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、内燃機関２の作動サイクル毎、あるいは所定時間毎に、繰り返し実行されるものとする。図６に示すルーチンによれば、まず、現在の筒内圧最大クランク角PmaxCAが検出される（ステップ１００）。具体的には、筒内圧センサ４６の信号を所定クランク角毎（例えば１°CA毎）にサンプリングすることにより、クランク角毎の筒内圧Pが検出され、その筒内圧Pが１サイクル中で最大値Pmaxをとったときのクランク角が筒内圧最大クランク角PmaxCAとして取得される。

次いで、上記ステップ１００で検出された筒内圧最大クランク角PmaxCAと、所定の熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAとの偏差ΔPmaxCAが算出される（ステップ１０２）。本実施形態では、熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAは前述したように１５°ATDCであるので、ここでは次式に基づいてΔPmaxCAが算出される。
ΔPmaxCA＝PmaxCA−PmaxMBTCA
＝PmaxCA−１５

続いて、上記ステップ１０２で求められた偏差ΔPmaxCAに応じた水素添加割合の補正値KPmaxを求める処理が行われる（ステップ１０４）。具体的には、前述した図５に示すマップに基づいて、水素添加割合の補正値KPmaxが算出される。

次いで、内燃機関２の運転条件に基づいて、基準の水素添加割合HR1［％］を求める処理が行われる（ステップ１０６）。ECU３０には、機関回転数NE、負荷（吸入空気量）、空気過剰率λ（空燃比）等の運転条件と、その運転条件に適した水素添加割合HR1との関係を定めたマップが予め記憶されている。ここでは、そのマップを参照することにより、現在の運転条件に応じた基準の水素添加割合HR1の値が取得される。

次いで、上記ステップ１０６で取得された基準の水素添加割合HR1を、上記ステップ１０４で求められた補正値KPmaxによって補正することにより、補正後の水素添加割合HR2を求める処理が行われる（ステップ１０８）。具体的には、次式に基づいてHR2が算出される。
HR2＝HR1＋KPmax

そして、上記ステップ１０８で算出された補正後の水素添加割合HR2に基づいて、水素を添加する処理が実行される（ステップ１１０）。本実施形態では、他のルーチンの処理により、現在の運転状態に基づき、内燃機関２への要求供給熱量が算出されているものとする。本ステップ１１０では、その要求供給熱量と、上記水素添加割合HR2とに基づいて、水素インジェクタ１１から噴射すべき水素の量が算出され、その算出値に基づいて水素インジェクタ１１の開弁時間を制御することにより、水素添加が実行される。

上述した図６に示すルーチンによれば、偏差ΔPmaxCAに基づき、図５に示すマップに従って水素添加割合の補正値KPmaxが算出されるので、筒内圧最大クランク角PmaxCAが熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAに比して遅れているほど、水素添加割合が現在よりも大きくなるように補正される。その結果、水素の作用によって燃焼が更に促進されるので、筒内圧最大クランク角PmaxCAの位置を早める（進角させる）ことができる。よって、筒内圧最大クランク角PmaxCAを熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAに一致させることができる。

このように、本実施形態では、点火時期SAを進角させなくても、水素添加割合を大きくすることで、筒内圧最大クランク角PmaxCAを熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAに一致させることができる。このため、高負荷域であっても、ノッキングに阻害されることなく、熱効率が最良の状態、つまりＭＢＴ状態に内燃機関２を移行させることができる。よって、内燃機関２の燃費性能、特に高負荷域（高トルク域）での燃費性能を向上することができる。

また、水素は燃焼を促進・改善する作用を有しているので、水素添加割合を大きくすると、ノッキングを更に発生しにくくすることができる。本実施形態では、筒内圧最大クランク角PmaxCAが熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAに比して遅れている場合、水素添加割合が大きくする方向に補正される。このため、ノッキングが更に発生しにくくなるので、高負荷域であっても、ノッキングを確実に防止しつつ、熱効率最良状態（ＭＢＴ状態）で内燃機関２を運転することができる。

また、図５に示すマップによれば、偏差ΔPmaxCAの値が負である場合には、水素添加割合の補正値KPmaxが負の値として算出される。すなわち、本実施形態では、筒内圧最大クランク角PmaxCAが熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAに比して進んでいる場合には、水素添加割合が現在よりも小さくなるように補正される。その結果、水素による燃焼促進作用が弱まるので、筒内圧最大クランク角PmaxCAの位置を遅くすることができる。よって、筒内圧最大クランク角PmaxCAを熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAに一致させることができる。

つまり、本実施形態では、筒内圧最大クランク角PmaxCAが熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAより進角していることで熱効率が低下している場合であっても、筒内圧最大クランク角PmaxCAが熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAに一致するように補正して、熱効率最良状態に移行させることができる。

なお、本発明は、内燃機関２の高負荷域（高トルク域）が多用されるハイブリッド車両に適用した場合に、特に優れた燃費性能向上効果を得ることができるが、通常の車両に適用してもよいことは言うまでもない。

また、本実施形態では、熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAの値が運転条件によらず一定（１５°ATDC）であるものとしているが、熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAの値が運転条件によって多少変化することが認められる場合には、運転条件に応じて熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAの値を設定するようにしてもよい。

また、本実施形態で用いた図５に示すマップでは、偏差ΔPmaxCAに対する比例項として水素添加割合の補正値KPmaxを算出しているが、補正値KPmaxの算出方法はこれに限定されるものではなく、例えば、微分項や積分項を併用して補正値KPmaxを算出するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、ガソリンインジェクタ１０およびガソリンタンク１２が前記第１の発明における「主燃料供給手段」に、水素インジェクタ１１および水素タンク１３が前記第１の発明における「補助燃料供給手段」に、熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAが前記第１の発明における「筒内圧最大クランク角の目標値」に、それぞれ相当している。また、ECU３０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第１の発明における「筒内圧最大クランク角検出手段」が、上記ステップ１０２〜１１０の処理を実行することにより前記第１および第３の発明における「補助燃料添加量算出手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図７乃至図１０を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略または簡略する。

［システム構成の説明］
図７は、本発明の実施の形態２のハイブリッド車両を説明するための図である。図７に示す本実施形態のハイブリッド車両（以下、単に「車両」と称する）１は、図１に示す内燃機関システムと、３軸式の動力分配統合機構３と、モータ（電動機）４と、ジェネレータ５とを有している。

動力分配統合機構３は、遊星歯車機構で構成されている。動力分配統合機構３のプラネタリーキャリアは、内燃機関２のクランクシャフトと連結されている。動力分配統合機構３のリングギアは、モータ４と連結されているとともに、駆動系６の入力側とも連結されている。動力分配統合機構３のサンギアはジェネレータ５と連結されている。

駆動系６の出力側は、車両１のフロントドライブシャフト７に連結されている。駆動系６により伝達された動力が、フロントドライブシャフト７を介して、駆動輪８を駆動する。本実施形態の車両１は、前輪を駆動輪８とする前輪駆動車であるが、本発明の車両は、後輪９を駆動輪とする後輪駆動車でもよく、また、総輪駆動車でもよい。

動力分配統合機構３は、内燃機関２の動力を二分して、ジェネレータ５と、駆動系６（駆動輪８）とに伝達することができる。また、動力分配統合機構３は、内燃機関２の動力とモータ４の動力とを統合して、駆動系６（駆動輪８）に伝達することができる。

内燃機関２の排気通路１４の途中には、排出ガスを浄化する排気浄化触媒１５が配置されている。排気浄化触媒１５は、例えば、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒などで構成される。また、それらの機能を組み合わせたものであってもよい。

モータ４およびジェネレータ５は、いずれも発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されている。車両１では、ジェネレータ５で発電された電力を、インバータ１８および昇圧コンバータ１９を介して、バッテリ２０に充電することができる。また、バッテリ２０に蓄えられた電気エネルギーにより、昇圧コンバータ１９およびインバータ１８を介して、モータ４を駆動することができる。更に、車両１では、ジェネレータ５で発電された電力を、インバータ１８を介してモータ４に印加することによって、モータ４を駆動することもできる。なお、車両１では、バッテリ２０に代えて、キャパシタ等の他の蓄電手段を用いてもよい。

内燃機関２の近傍には、電動エアコンコンプレッサ等の補機２１が配置されている。補機２１は、バッテリ２０からインバータ１８を介して供給される電力によって駆動される。また、車両１には、車速を検出する車速センサ２２と、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ２３とが設けられている。

このような車両１における、内燃機関２を含む上記のハイブリッドシステムは、ECU３０により制御される。ECU３０には、上述した各種のアクチュエータ、センサ、電力変換機器、バッテリ等が接続されている。

［実施の形態２の特徴］
車両１では、要求される駆動力を内燃機関２とモータ４とで賄うことができる。そして、走行状況に応じて、全体の効率が最適となるように、内燃機関２とモータ４との駆動割合が制御される。具体的には、内燃機関２は、最適燃費線上、つまり、熱効率の良い（燃料消費率の低い）、予め設定された高負荷域（高トルク域）で作動するように制御される。また、加速時などには、内燃機関２による駆動力に加え、バッテリ２０に蓄えられた電気エネルギーを昇圧コンバータ１９およびインバータ１８を介してモータ４に供給し、モータ４の駆動割合を大きくすることで、大きな駆動力で車両１を走行させることができる。一方、熱効率の悪い低負荷域では内燃機関２を作動せず、モータ４のみで走行することができる。

本実施形態では、内燃機関２に対しては、前述した実施の形態１と同様の制御が行われる。つまり、筒内圧最大クランク角PmaxCAが熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAからずれていることで、内燃機関２の熱効率が低下している場合には、両者の偏差ΔPmaxCAに基づいて水素添加割合を補正することにより、筒内圧最大クランク角PmaxCAを熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAに一致させるように制御される。このような制御により、高負荷域であっても、ノッキングを招くことなく、内燃機関２を熱効率最良状態に移行させることができるので、燃費性能の向上が図れる。

更に、本実施形態では、筒内圧最大クランク角PmaxCAと熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAとの偏差ΔPmaxCAがある場合には、その偏差ΔPmaxCAが大きいほど、バッテリ２０に蓄えられた電気エネルギーをより多くモータ４に供給することで、モータ４の駆動割合が大きくなるように制御することとした。この制御を行うことの利点について、図８を参照しつつ説明する。

図８は、内燃機関２の熱効率マップを示す図である。図８中、太い実線で示す曲線は、全負荷時(WOT)のトルクTeであり、細い実線で示す曲線は、等熱効率線（等燃料消費率線）であり、破線で示す曲線は、等出力線である。

前述したように、内燃機関２は、高負荷域の所定の最適燃費線上で作動するように制御される。今、内燃機関２の目標作動点が、図８中、最適燃費線上の点Ａであったとする。このとき、ノックの発生によって点火時期SAをＭＢＴまで進角することができずに、ＭＢＴより遅れた点火時期SAで運転されたとすると、トルクTeが低下するので、実際の作動点は、点Ｂとなる。点Ｂは、点Ａに比して、熱効率が低く、機関出力も低い。このため、このような事態が生じた場合には、燃費が悪化するだけでなく、要求される走行出力（車両駆動力）が得られないことになるので、走行性能やドライバビリティが低下する。

一方、上記のような場合において、点Ｂよりも機関回転数NEを上昇させて、点Ａと同じ等出力線上にある点Ｃに来るまで機関回転数NEを高めるように制御すれば、点Ａと同じ出力が得られるので、走行性能やドライバビリティの低下を回避することはできる。しかしながら、機関回転数NEが高くなるほど、内燃機関２のフリクションロスが増大するので、熱効率が低下し易い。このため、図８に示すように、点Ｂから点Ｃに移行すると、等熱効率線を超えて、更に熱効率が低い領域での運転になってしまう。このため、燃費性能の観点からは、目標作動点である点Ａでの運転が実現できなかったとしても、点Ｃに移行するよりは、点Ｂで運転した方が好ましいことになる。

そこで、本実施形態では、内燃機関２の運転状態がＭＢＴ状態（熱効率最良状態）になっておらず、目標とする機関出力が得られていない場合には、モータ４の駆動割合を大きくするように補正し、モータ４によるアシスト量を増大させることとした。これにより、機関出力の不足をモータ４の駆動力で補うことができるので、走行出力（車両駆動力）の低下を回避することができ、走行性能やドライバビリティの低下を確実に防止することができる。

また、上記の制御によれば、内燃機関２を目標作動点で運転することができなかった場合であっても、モータ４によるアシスト量の増大を期待できるので、機関回転数NEを上げてまで同じ機関出力を確保する必要はない。つまり、上記の例で言えば、目標作動点の点Ａで運転できなかった場合であっても、点Ｃに移行する必要はなく、点Ｂで運転すれば済む。このため、熱効率の低下を抑制することができ、燃費の悪化を防止することができる。

また、上記のようにして、モータ４によるアシスト量を増大して走行性能を確保している間に、実施の形態１と同様の水素添加割合の補正が行われるので、内燃機関２を熱効率最良状態（目標作動点）での運転に移行させることができる。つまり、本実施形態によれば、優れた走行性能を確保しつつ、燃費性能を向上することができる

［実施の形態２における具体的処理］
図９は、上記の機能を実現するために本実施形態においてECU３０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、内燃機関２の作動サイクル毎、あるいは所定時間毎に、繰り返し実行されるものとする。また、図９において、図６に示すステップと同一のステップには、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図９に示すルーチンは、ステップ１０２と１０４との間にステップ１１２が挿入されていること以外は、前述した図６に示すルーチンと同様である。図９に示すルーチンによれば、実施の形態１と同様に、現在の筒内圧最大クランク角PmaxCAがまず検出され（ステップ１００）、次いで、その筒内圧最大クランク角PmaxCAと、熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAとの偏差ΔPmaxCAが算出される（ステップ１０２）。

続くステップ１１２においては、まず、上記ステップ１０２で求められた偏差ΔPmaxCAに応じた、モータ４の駆動割合の補正値EPmaxが求められる。図１０は、この補正値EPmaxを求めるためのマップである。図１０に示すマップによれば、偏差ΔPmaxCAが大きいほど、モータ４の駆動割合の補正値EPmaxが大きく算出される。偏差ΔPmaxCAが大きいと、熱効率最良状態からのずれが大きいことになるので、それだけ機関出力が低下する。図１０に示すマップによれば、このことに対処するべく、機関出力の低下幅に応じて、モータ４によるアシスト量を増大させることができる。

また、図１０に示すマップによれば、偏差ΔPmaxCAが正である場合、つまり筒内圧最大クランク角PmaxCAが熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAより遅れている場合には、偏差ΔPmaxCAが負である場合、つまり筒内圧最大クランク角PmaxCAが熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAより進んでいる場合に比して、補正値EPmaxが大きく算出される。これは、偏差ΔPmaxCAの絶対値が同じであっても、筒内圧最大クランク角PmaxCAが熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAより遅れている場合の方が、進んでいる場合に比して、機関出力の低下が大きいことに対応するものである。

車両１においては、他のルーチンの処理により、アクセル開度と車速とに基づいて要求走行出力が算出され、その要求走行出力に基づいて、モータ４の基準の駆動割合（駆動力負担割合）が算出されている。ステップ１１２では、その基準のモータ駆動割合に、上記のようにして求められたモータ駆動割合の補正値EPmaxを加算することによって、補正後のモータ駆動割合が算出される。そして、その補正後のモータ駆動割合を実現するべく、バッテリ２０からモータ４への電気エネルギー供給量が増大され、モータ４による駆動力アシスト量がアップされる。

以上説明したステップ１１２の処理によれば、内燃機関２の運転状態が熱効率最良状態になっていないことにより、機関出力（トルク）が低下している場合には、その不足を補うように、モータ４によるアシスト量を適切に増大させることができる。このため、車両１の走行性能やドライバビリティの低下を確実に防止することができる。また、機関回転数NEを上げることでトルクの低下を補うような制御をしないで済むので、内燃機関２の熱効率の悪化を抑制することができ、良好な燃費性能を確保することができる。

図９に示すルーチンによれば、上記ステップ１１２の処理に続いて、図６に示すルーチンと同様に、ステップ１０４から１１０の処理が行われる。つまり、偏差ΔPmaxCAに応じて水素添加割合が補正され、筒内圧最大クランク角PmaxCAが熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAに一致するように制御される。これにより、ノッキングを生ずることなく、内燃機関２を熱効率最良状態に移行させることができる。

このように、本実施形態では、ノックの発生などによって、内燃機関２の運転状態を熱効率最良状態にすることができない事態が生じた場合、モータ４によるアシスト量を増大させることで走行性能の低下を防止するとともに、内燃機関２への水素添加割合を補正することで内燃機関２を熱効率最良状態に移行させることができる。このため、走行性能を損なうことなく、燃費性能を向上させることができる。

なお、上述した実施の形態２では、内燃機関２以外の動力源として電動機（モータ４）を備えたハイブリッド車両を例に説明したが、本発明におけるハイブリッド車両は、電気式ハイブリッドに限定されるものではなく、例えば蓄圧式ハイブリッドなどの機械式ハイブリッドであってもよい。

また、上述した実施の形態２においては、モータ４が前記第４の発明における「他の動力源」に、ガソリンインジェクタ１０およびガソリンタンク１２が前記第４の発明における「主燃料供給手段」に、水素インジェクタ１１および水素タンク１３が前記第４の発明における「補助燃料供給手段」に、熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAが前記第４の発明における「筒内圧最大クランク角の目標値」に、バッテリ２０が前記第４の発明における「エネルギー蓄積手段」に、それぞれ相当している。また、ECU３０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第４の発明における「筒内圧最大クランク角検出手段」が、上記ステップ１０２および１１２の処理を実行することにより前記第４の発明における「アシスト量増大手段」が、上記ステップ１０４〜１１０の処理を実行することにより前記第４の発明における「補助燃料添加割合補正手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態３．
次に、図１１乃至図１４を参照して、本発明の実施の形態３について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略または簡略する。

［システム構成の説明］
図１１は、本実施の形態３のシステム構成を説明するための図である。図１１に示すシステムは、アルコールを補助燃料として用いる内燃機関２を備えるものである。アルコールとしては、エタノール、メタノールなどを用いることができる。

図１１に示すシステムは、図１にシステムにおける水素インジェクタ１１および水素タンク１３に代えて、吸気ポート３５内にアルコールを噴射するアルコールインジェクタ４８と、アルコールインジェクタ４８に供給するためのアルコールを貯蔵するアルコールタンク４９とを備えている。アルコールタンク４９内のアルコールは、燃料ポンプ５０により加圧され、レギュレータバルブ５１で調圧された上で、アルコールインジェクタ４８に供給される。

また、図１１に示すシステムの内燃機関２には、ノックを検出するノックセンサ５２が取り付けられている。図１１に示すシステムの構成は、上記の点以外は図１にシステムと同様であるので、これ以上の説明は省略する。

［実施の形態３の特徴］
含酸素燃料であるアルコールは、ノックを抑制する作用や、燃焼を促進する作用を有している。このため、図１２に示すように、アルコール添加割合を多くするほど、筒内圧最大クランク角PmaxCAを早める（進角する）ことができる。本実施の形態３では、水素に代えてアルコールを補助燃料として用いることにより、実施の形態１と同様の効果が得られる。

［実施の形態３における具体的処理］
図１３は、上記の機能を実現するために本実施形態においてECU３０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、内燃機関２の作動サイクル毎、あるいは所定時間毎に、繰り返し実行されるものとする。また、図１３において、図６に示すステップと同一のステップには、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図１３に示すルーチンによれば、まず、ノックセンサ５２からの信号に基づいて、内燃機関２にノックが発生しているか否かが判別される（ステップ１１４）。本実施形態では、ノックの発生によって点火時期SAをＭＢＴまで進角することができていない場合を対象として、制御を行うこととしている。このため、ノックが発生していないと判別された場合には、そのまま今回の処理サイクルが終了される。

一方、上記ステップ１１４でノックの発生が認められた場合には、次に、実施の形態１と同様にして、筒内圧センサ４６の信号に基づいて、現在の筒内圧最大クランク角PmaxCAが検出される（ステップ１００）。続いて、実施の形態１と同様にして、検出された筒内圧最大クランク角PmaxCAと、所定の熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAとの偏差ΔPmaxCAが算出される（ステップ１０２）。

次いで、上記ステップ１０２で求められた偏差ΔPmaxCAに応じて、アルコール添加割合の補正値CPmaxを求める処理が行われる（ステップ１１６）。具体的には、図１４に示すマップに基づいて、アルコール添加割合の補正値CPmaxが算出される。図１４に示すマップによれば、偏差ΔPmaxCAが正の方向に大きいほど、補正値CPmaxが大きく算出される。

また、図１４に示すマップによれば、偏差ΔPmaxCAが負である場合には、補正値CPmaxはゼロとされる。ノックが発生するような状況下では、偏差ΔPmaxCAが負の値になること、つまり、筒内圧最大クランク角PmaxCAが熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAより進んだ状態になっていることは、通常はないと言える。このため、本実施形態では、偏差ΔPmaxCAが負である場合には、補正値CPmaxをゼロとし、アルコール添加割合の補正を行わないこととしている。

上記ステップ１１６の処理に続いて、内燃機関２の運転条件に基づき、基準のアルコール添加割合CR1［％］を求める処理が行われる（ステップ１１８）。ECU３０には、機関回転数NE、負荷（吸入空気量）、空気過剰率λ（空燃比）等の運転条件と、その運転条件に適したアルコール添加割合CR1との関係を定めたマップが予め記憶されている。ここでは、そのマップを参照することにより、現在の運転条件に応じた基準のアルコール添加割合CR1の値が取得される。

次いで、上記ステップ１１８で取得された基準のアルコール添加割合CR1を、上記ステップ１１６で求められた補正値CPmaxによって補正することにより、補正後のアルコール添加割合CR2を求める処理が行われる（ステップ１２０）。具体的には、次式に基づいてCR2が算出される。
CR2＝CR1＋CPmax

そして、上記ステップ１２０で算出された補正後のアルコール添加割合CR2に基づいて、アルコールを添加する処理が実行される（ステップ１２２）。本実施形態では、他のルーチンの処理により、現在の運転状態に基づき、内燃機関２への要求供給熱量が算出されているものとする。本ステップ１２２では、その要求供給熱量と、上記アルコール添加割合CR2とに基づいて、アルコールインジェクタ４８から噴射すべきアルコールの量が算出され、その算出値に基づいてアルコールインジェクタ４８の開弁時間を制御することにより、アルコール添加が実行される。

上述した図１３に示すルーチンによれば、偏差ΔPmaxCAに基づき、図１４に示すマップに従ってアルコール添加割合の補正値CPmaxが算出されるので、筒内圧最大クランク角PmaxCAが熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAに比して遅れているほど、アルコール添加割合が現在よりも大きくなるように補正される。その結果、アルコールによるノック抑制効果が増幅され、ノッキングを回避することができる。また、アルコールによる燃焼促進効果が増幅されるので、筒内圧最大クランク角PmaxCAの位置を早める（進角させる）ことができ、筒内圧最大クランク角PmaxCAを熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAに一致させることができる。このようにして、高負荷域であっても、ノッキングに阻害されることなしに、熱効率が最良の状態、つまりＭＢＴ状態で内燃機関２を運転することができる。よって、内燃機関２の燃費性能、特に高負荷域（高トルク域）での燃費性能を向上することができる。

なお、上述した実施の形態３においては、ガソリンインジェクタ１０およびガソリンタンク１２が前記第１の発明における「主燃料供給手段」に、アルコールインジェクタ４８およびアルコールタンク４９が前記第１の発明における「補助燃料供給手段」に、熱効率最良筒内圧最大クランク角PmaxMBTCAが前記第１の発明における「筒内圧最大クランク角の目標値」に、それぞれ相当している。また、ECU３０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第１の発明における「筒内圧最大クランク角検出手段」が、上記ステップ１０２および１１６〜１２２の処理を実行することにより前記第１の発明における「補助燃料添加量算出手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 内燃機関の１サイクル中に生ずる筒内圧の波形の一例を示す図である。 筒内圧最大クランク角PmaxCAと点火時期SAとの関係を示す図である。 筒内圧最大クランク角PmaxCAと、点火時期SAと、水素添加割合との関係を示す図である。 偏差ΔPmaxCAと、水素添加割合の補正値KPmaxとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２のハイブリッド車両を説明するための図である。 内燃機関の熱効率マップを示す図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。 偏差ΔPmaxCAと、モータ駆動割合の補正値EPmaxとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態３のシステム構成を説明するための図である。 筒内圧最大クランク角PmaxCAと、点火時期SAと、アルコール添加割合との関係を示す図である。 本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。 偏差ΔPmaxCAと、アルコール添加割合の補正値CPmaxとの関係を示す図である。

符号の説明

１ ハイブリッド車両
２ 内燃機関
３ 動力分配統合機構
４ モータ
５ ジェネレータ
６ 駆動系
７ フロントドライブシャフト
８ 駆動輪
１０ ガソリンインジェクタ
１１ 水素インジェクタ
１４ 排気通路
１５ 排気浄化触媒
１８ インバータ
１９ 昇圧コンバータ
２０ バッテリ
２２ 車速センサ
２３ アクセル開度センサ
３０ ECU(Electronic Control Unit)
３１ ピストン
３２ 吸気弁
３３ 排気弁
４１ ターボ過給機
４２ 吸気通路
４４ スロットル弁
４５ エアフロメータ
４６ 筒内圧センサ
４７ クランク角センサ
４８ アルコールインジェクタ
４９ アルコールタンク
５２ ノックセンサ

Claims (4)

1. 火花点火式の内燃機関に主燃料を供給する主燃料供給手段と、
   燃焼促進作用を有する補助燃料を前記内燃機関に供給する補助燃料供給手段と、
   前記内燃機関の筒内圧が最大となるクランク角である筒内圧最大クランク角を検出する筒内圧最大クランク角検出手段と、
   前記筒内圧最大クランク角の検出値が、点火時期がＭＢＴであるときの筒内圧最大クランク角に相当する目標値に比して遅れている場合には、前記補助燃料の添加割合が大きくなるように前記補助燃料の添加量を算出する補助燃料添加量算出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記補助燃料が水素またはアルコールであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記補助燃料添加量算出手段は、前記筒内圧最大クランク角の検出値が前記目標値に比して進んでいる場合には、前記補助燃料の添加割合が小さくなるように前記補助燃料の添加量を算出することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
4. 火花点火式の内燃機関と、他の動力源とを備え、前記他の動力源により駆動力をアシスト可能なハイブリッド車両であって、
   前記内燃機関に主燃料を供給する主燃料供給手段と、
   燃焼促進作用を有する補助燃料を前記内燃機関に供給する補助燃料供給手段と、
   前記他の動力源に供給するためのエネルギーを蓄えるエネルギー蓄積手段と、
   前記内燃機関の筒内圧が最大となるクランク角である筒内圧最大クランク角を検出する筒内圧最大クランク角検出手段と、
   前記筒内圧最大クランク角の検出値と、点火時期がＭＢＴであるときの筒内圧最大クランク角に相当する目標値との偏差が大きいほど、前記エネルギー蓄積手段から前記他の動力源へのエネルギー供給量を増加させることによって前記他の動力源による駆動力アシスト量を増加させるアシスト量増大手段と、
   前記筒内圧最大クランク角の検出値と前記目標値との偏差に基づいて、実際の筒内圧最大クランク角が前記目標値に近づくように、前記補助燃料の添加割合を補正する補助燃料添加割合補正手段と、
   を備えることを特徴とするハイブリッド車両。

Images