JP5724656B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、触媒または内燃機関の暖機の実行状態に応じて圧縮比を変更する技術に関する。

可変バルブタイミング機構を搭載した内燃機関が知られている。可変バルブタイミング機構によって吸気バルブの位相を進角した場合、吸気バルブが早く閉じる。そのため、圧縮行程が長くなる。その結果、圧縮比が高くなる。したがって、可変バルブタイミング機構によって内燃機関の圧縮比を変更することが可能である。

可変バルブタイミング機構のこのような特性を利用し、特開２００６−２８３７０４号公報（特許文献１）においては、第５９段落において、内燃機関を容易に始動すべく、吸気バルブの位相をできる限り進角位相にしてからクランキングを行なうことが記載されている。

特開２００６−２８３７０４号公報

しかしながら、内燃機関をさらに好適に運転するには、より細分化された内燃機関の運転状態に応じて圧縮比を制御することが好ましい。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、内燃機関をより好適に運転することである。

ある実施例において、排気ガスを浄化する触媒が設けられた内燃機関の制御装置は、触媒の暖機中は触媒の暖機終了後に比べて内燃機関における圧縮比を高くするための第１の変更手段と、触媒の暖機終了後において、内燃機関の暖機中は内燃機関の暖機終了後に比べて内燃機関における圧縮比を高くするための第２の変更手段とを備える。

この構成によると、触媒の暖機の実行状態および内燃機関の暖機の実行状態に応じて、圧縮比が変更される。触媒の暖機中は、圧縮比が最も高くされる。これにより、熱効率を高めることができる。よって、より少ない燃料で触媒を暖機できる。内燃機関の暖機中における圧縮比は、触媒の暖機中の圧縮比よりも低く、かつ内燃機関の暖機終了後の圧縮比よりも高くされる。これにより、ノッキングを抑制しつつ、熱効率を向上できる。よって、内燃機関をより好適に運転できる。

別の実施例において、制御装置は、圧縮比に応じて内燃機関の動作点を変更するための手段をさらに備える。

この構成によると、圧縮比を変更することに起因して移動した、内燃機関の効率が良い動作点に、内燃機関の実際の動作点を追従させることができる。

さらに別の実施例において、内燃機関は、無段変速機に連結される。
この構成によると、たとえば車速を維持しつつ、内燃機関の出力軸回転数を増減できる。そのため、車速を維持しつつ、圧縮比を変更することに起因して移動した、内燃機関の効率が良い動作点に、内燃機関の実際の動作点を追従させることができる。

さらに別の実施例において、制御装置は、触媒の暖機中は、点火時期を遅角するための遅角手段をさらに備える。

この構成によると、点火時期を遅角することにより、燃焼室内での燃焼速度を緩慢にし、より多くの熱量を触媒に供給できる。よって、触媒の暖機を促進できる。

さらに別の実施例において、第１の変更手段および第２の変更手段のうちの少なくとも一方は、吸気バルブの位相を進角することにより、内燃機関における圧縮比を高くする。

この構成によると、吸気バルブの位相を進角することにより圧縮行程を長くすることができる。その結果、内燃機関における圧縮比が高くされる。

ハイブリッド車のパワートレーンを示す概略構成図である。 エンジンを示す概略構成図である。 動力分割機構の共線図である。 エンジン始動しきい値を示す図である。 燃費最適ラインを示す図である。 燃費最適ラインと等エンジン効率ラインとを示す図である。 圧縮比を高くしたときの燃費最適ラインと等エンジン効率ラインとを示す図である。 ＥＣＵが実行する処理を示すフローチャートである。 等パワー線に沿って変化する動作点を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１を参照して、本実施の形態に係る制御装置を搭載したハイブリッド車のパワートレーンについて説明する。なお、本実施の形態に係る制御装置は、たとえば、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０００により実現される。

図１に示すように、パワートレーンは、エンジン１００と、第１モータジェネレータ（ＭＧ１）２００と、これらエンジン１００と第１モータジェネレータ２００との間でトルクを合成もしくは分配する動力分割機構３００と、第２モータジェネレータ（ＭＧ２）４００とを主体として構成されている。

エンジン１００は、燃料を燃焼させて動力を出力する公知の内燃機関であって、スロットル開度（吸気量）や燃料供給量、点火時期などの運転状態を電気的に制御できるように構成されている。その制御は、例えば、マイクロコンピュータを主体とするＥＣＵ１０００によって行なわれる。

図２を参照して、エンジン１００には、エアクリーナ１０２から空気が吸入される。吸入空気量は、スロットルバルブ１０４により調整される。スロットルバルブ１０４はモータにより駆動される電子スロットルバルブである。

空気は、シリンダ１０６（燃焼室）において燃料と混合される。シリンダ１０６には、インジェクタ１０８から燃料が直接噴射される。すなわち、インジェクタ１０８の噴射孔はシリンダ１０６内に設けられている。燃料は、シリンダ１０６の吸気側（空気が導入される側）から噴射される。

燃料は吸気行程において噴射される。なお、燃料が噴射される時期は、吸気行程に限らない。また、本実施の形態においては、インジェクタ１０８の噴射孔がシリンダ１０６内に設けられた直噴エンジンとしてエンジン１００を説明するが、直噴用のインジェクタ１０８に加えて、ポート噴射用のインジェクタを設けてもよい。さらに、ポート噴射用のインジェクタのみを設けるようにしてもよい。

シリンダ１０６内の混合気は、点火プラグ１１０により着火され、燃焼する。燃焼後の混合気、すなわち排気ガスは、触媒１１２により浄化された後、車外に排出される。混合気の燃焼によりピストン１１４が押し下げられ、クランクシャフト１１６が回転する。

シリンダ１０６の頭頂部には、吸気バルブ１１８および排気バルブ１２０が設けられる。シリンダ１０６に導入される空気の量および時期は吸気バルブ１１８により制御される。シリンダ１０６から排出される排気ガスの量および時期は排気バルブ１２０により制御される。吸気バルブ１１８はカム１２２により駆動される。排気バルブ１２０はカム１２４により駆動される。

吸気バルブ１１８は、可変バルブタイミング機構１２６により、開閉タイミング（位相）が変更される。すなわち、可変バルブタイミング機構１２６は、吸気バルブ１１８の位相を、予め定められた最遅角の位相から最進角の位相まで変更可能である。言い換えると、可変バルブタイミング機構１２６は、吸気バルブ１１８の位相を最遅角の位相から進角可能である。たとえばエンジン１００の始動に好適な位相が、最遅角の位相として定められる。エンジン１００の始動に好適な位相は、実験およびシミュレーションなどに基づいて開発者により定められる。エンジン１００の始動に好適な位相を、最遅角の位相から予め定められた進角量だけ進角した位相に設定するようにしてもよい。排気バルブ１２０の開閉タイミングを変更するようにしてもよい。

本実施の形態においては、カム１２２が設けられたカムシャフト（図示せず）が可変バルブタイミング機構１２６により回転されることにより、吸気バルブ１１８の開閉タイミングが制御される。なお、開閉タイミングを制御する方法はこれに限らない。本実施の形態において、可変バルブタイミング機構１２６は、たとえば油圧により作動する。

可変バルブタイミング機構１２６を搭載したエンジン１００は、吸気バルブ１１８の位相を変更することにより、圧縮行程の長さを変更可能である。したがって、圧縮比が変更され得る。本実施の形態においては、触媒１１２の暖機中は触媒の暖機終了後に比べて圧縮比が高くされる。触媒１１２の暖機終了後において、エンジン１００の暖機中は、暖機終了後に比べて圧縮比が高くされる。

エンジン１００は、ＥＣＵ１０００により制御される。ＥＣＵ１０００は、エンジン１００が所望の運転状態になるように、スロットル開度、点火時期、燃料噴射時期、燃料噴射量、吸気バルブ１１８の開閉タイミングを制御する。ＥＣＵ１０００には、カム角センサ８００、クランク角センサ８０２、水温センサ８０４、エアフローメータ８０６から信号が入力される。

カム角センサ８００は、カムの位置を表す信号を出力する。クランク角センサ８０２は、クランクシャフト１１６の回転数（エンジン回転数）ＮＥおよびクランクシャフト１１６の回転角度（クランク角）を表す信号を出力する。カムの位置およびクランク角に基づいて、吸気バルブ１１８の開閉タイミング、すなわち位相が判定される。水温センサ８０４は、エンジン１００の冷却水の温度（以下、水温とも記載する）を表す信号を出力する。エアフローメータ８０６は、エンジン１００に吸入される空気量を表す信号を出力する。

ＥＣＵ１０００は、これらのセンサから入力された信号、メモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、エンジン１００を制御する。

図１に戻って、第１モータジェネレータ２００は、一例として三相交流回転電機であって、電動機（モータ）としての機能と発電機（ジェネレータ）としての機能とを生じるように構成される。第１モータジェネレータ２００は、インバータ２１０を介してバッテリなどの蓄電装置７００に接続されている。インバータ２１０を制御することにより、第１モータジェネレータ２００の出力トルクあるいは回生トルクを適宜に設定するようになっている。その制御は、ＥＣＵ１０００によって行なわれる。なお、第１モータジェネレータ２００のステータ（図示せず）は固定されており、回転しないようになっている。

動力分割機構３００は、外歯歯車であるサンギヤ（Ｓ）３１０と、そのサンギヤ（Ｓ）３１０に対して同心円上に配置された内歯歯車であるリングギヤ（Ｒ）３２０と、これらサンギヤ（Ｓ）３１０とリングギヤ（Ｒ）３２０とに噛合しているピニオンギヤを自転かつ公転自在に保持しているキャリヤ（Ｃ）３３０とを三つの回転要素として差動作用を生じる公知の歯車機構である。エンジン１００の出力軸がダンパを介して第１の回転要素であるキャリヤ（Ｃ）３３０に連結されている。言い換えれば、キャリヤ（Ｃ）３３０が入力要素となっている。

これに対して第２の回転要素であるサンギヤ（Ｓ）３１０に第１モータジェネレータ２００のロータ（図示せず）が連結されている。したがってサンギヤ（Ｓ）３１０がいわゆる反力要素となっており、また第３の回転要素であるリングギヤ（Ｒ）３２０が出力要素となっている。そして、そのリングギヤ（Ｒ）３２０が、駆動輪（図示せず）に連結された出力軸６００に連結されている。出力軸６００の回転数は、出力軸回転数センサ６０２により検出され、出力軸回転数を表わす信号がＥＣＵ１０００に入力される。

図３に、動力分割機構３００の共線図を示す。図３に示すように、キャリヤ（Ｃ）３３０に入力されるエンジン１００の出力するトルクに対して、第１モータジェネレータ２００による反力トルクをサンギヤ（Ｓ）３１０に入力すると、これらのトルクを加減算した大きさのトルクが、出力要素となっているリングギヤ（Ｒ）３２０に現れる。その場合、第１モータジェネレータ２００のロータがそのトルクによって回転し、第１モータジェネレータ２００は発電機として機能する。また、リングギヤ（Ｒ）３２０の回転数（出力回転数）を一定とした場合、第１モータジェネレータ２００の回転数を大小に変化させることにより、エンジン１００の回転数を連続的に（無段階に）変化させることができる。すなわち、エンジン１００は、動力分割機構３００、第１モータジェネレータ２００および第２モータジェネレータ４００から構成される電気式無段変速機に連結される。エンジン１００が電気式無段変速機に連結されているため、エンジン１００の回転数を例えば燃費が最もよい回転数に設定する制御を、第１モータジェネレータ２００を制御することによって行なうことができる。その制御は、ＥＣＵ１０００によって行なわれる。

さらに、たとえば、エンジン１００が停止（燃料噴射が停止）した状態で第１モータジェネレータ２００に正回転方向にトルクを出力させると、キャリヤ（Ｃ）３３０に連結されているエンジン１００にこれを正回転させる方向のトルクが作用し、第１モータジェネレータ２００によってエンジン１００の出力軸（クランクシャフト１１６）を回転させることができる。以下、第１モータジェネレータ２００によってエンジン１００の出力軸を回転させることをモータリングもしくはクランキングと記載する。

図１に戻って、第２モータジェネレータ４００は、一例として三相交流回転電機であって、電動機としての機能と発電機としての機能とを生じるように構成される。第２モータジェネレータ４００は、インバータ３５０を介してバッテリなどの蓄電装置７００接続されている。インバータ３５０を制御することにより、力行および回生ならびにそれぞれの場合におけるトルクを制御するように構成されている。なお、第２モータジェネレータ４００のステータ（図示せず）は固定されており、回転しないようになっている。第２モータジェネレータ４００は、出力軸６００に連結される。

図４に示すように、ハイブリッド車の走行パワーがエンジン始動しきい値より小さいと、エンジン１００が停止され、第２モータジェネレータ４００の駆動力のみを用いてハイブリッド車が走行する。

一方、ハイブリッド車の走行パワーがエンジン始動しきい値以上になると、エンジン１００が駆動される。これにより、第２モータジェネレータ４００の駆動力に加えて、もしくは代わりに、エンジン１００の駆動力を用いてハイブリッド車が走行する。また、エンジン１００の駆動力を用いて第１モータジェネレータ２００が発電した電力が第２モータジェネレータ４００に直接供給される。

走行パワーは、たとえば、ドライバにより操作されるアクセルペダルの開度（アクセル開度）および車速などをパラメータに有するマップに従ってＥＣＵ１０００により算出される。すなわち、本実施の形態において、ハイブリッド車の走行パワーは、運転者が要求するパワーを表わす。なお、走行パワーを算出する方法はこれに限らない。なお、本実施の形態において、パワーの単位はｋＷ（キロワット）である。

ハイブリッド車は、走行パワーを、エンジン１００と第２モータジェネレータ４００とで分担して実現するように制御される。たとえば、第１モータジェネレータ２００が発電しない場合であれば、エンジン１００の出力パワーと第２モータジェネレータ４００の出力パワーとの和が、走行パワーと略同じになるように制御される。したがって、エンジン１００の出力パワーが零であると、第２モータジェネレータ４００の出力パワーが、走行パワーと略同じになるように制御される。第２モータジェネレータ４００の出力パワーが零であると、エンジン１００の出力パワーが走行パワーと略同じになるように制御される。

エンジン１００を駆動する場合、たとえば、車速が高いほど、第２モータジェネレータ４００の出力トルクが低下されて、走行パワーに対するエンジン１００の出力パワーの比率が大きくされる。一例として、車速がしきい値よりも高い場合には、第２モータジェネレータ４００の出力トルクが零まで低下されて、エンジン１００の駆動力のみを用いてハイブリッド車が走行する。なお、出力パワーの制御態様はこれに限らない。

その他、エンジン１００が駆動している状態においてイグニッションスイッチまたはスタートスイッチ等のスイッチがオフにされると、エンジン１００が停止される。

図５に示すように、エンジン１００の動作点、すなわちエンジン回転数ＮＥおよび出力トルクＴＥは、出力パワーと最適燃費ラインとの交点により定まる。出力パワーは、等パワー線によって示される。

図６に示すように、最適燃費ラインは、エンジン１００の効率がよい動作点を結ぶ線である。図６においては、最適燃費ラインを実線で示し、各動作点におけるエンジン１００の効率を破線の等エンジン効率ラインで示す。図６においては、効率の概略的な特徴として、エンジン回転数ＮＥが大きいほど効率がよいことが示される。最適燃費ラインは、各等パワー線上の動作点のうちの効率が最も高い動作点を結ぶことによって得られる。最適燃費ラインは、実験およびシミュレーションの結果に基づいて、開発者により予め定められる。

エンジン１００の効率は、たとえば吸気バルブ１１８の位相を変更してエンジン１００の圧縮比を変更することによって変化し得る。図７に示すように、一例として、吸気バルブ１１８の位相を進角することによってエンジン１００の圧縮比を高くすると、圧縮比が低い状態に比べて、効率がよい動作点が高トルク側に移動する。したがって、最適燃費ラインも高トルク側に移動する。

このように、本実施の形態においては、エンジン１００の圧縮比毎に最適燃費ラインが定められる。すなわち、圧縮比に応じてエンジン１００の動作点が変更される。動作点は、等パワー線に沿って変更される。すなわち、出力パワーを維持するように動作点が変更される。したがって、圧縮比が高くなると、エンジン１００の出力トルクＴＥが大きくされるとともに、エンジン回転数ＮＥが小さくされる。

図８を参照して、本実施の形態においてＥＣＵ１０００が実行する処理について説明する。以下に説明する処理は、ソフトウェアにより実現してもよく、ハードウェアにより実現してもよく、ソフトウェアとハードウェアとの協働により実現してもよい。

ステップ（以下、ステップをＳと略す）１００にて、触媒１１２を暖機中であるか否が判断される。触媒１１２を暖機中であるか否かを判断する方法については周知の一般的な技術を利用すればよいため、ここではその詳細な説明は繰り返さない。

触媒１１２を暖機中であると（Ｓ１００にてＹＥＳ）、Ｓ１０２にて、圧縮比が、予め定められた第１圧縮比ＣＲ１にされる。たとえば、所定のクランク角まで吸気バルブ１１８の位相が進角されることにより、圧縮比が第１圧縮比ＣＲ１まで増大される。吸気バルブ１１８の位相および第１圧縮比ＣＲ１は、予め開発者により定められる。さらに、Ｓ１０４にて、点火時期が遅角される。

触媒１１２の暖機終了後は（Ｓ１００にてＮＯ）、Ｓ１１０にて、エンジン１００を暖機中であるか否かが判断される。エンジン１００を暖機中であるか否かを判断する方法については周知の一般的な技術を利用すればよいため、ここではその詳細な説明は繰り返さない。

エンジン１００を暖機中であると（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、Ｓ１１２にて、圧縮比が、予め定められた第２圧縮比ＣＲ２にされる。第２圧縮比ＣＲ２は、前述の第１圧縮比ＣＲ１よりも小さい圧縮比である。たとえば、所定のクランク角まで吸気バルブ１１８の位相が進角されることにより、圧縮比が第２圧縮比ＣＲ２まで増大される。吸気バルブ１１８の位相および第２圧縮比ＣＲ２は、予め開発者により定められる。

さらに、Ｓ１１４にて、図９に示すように、エンジン１００の動作点が、第２圧縮比ＣＲ２に対して定められた燃費最適ラインによって定められる動作点まで、等パワー線に沿って変更される。

図８に戻って、エンジン１００の暖機終了後は（Ｓ１１０にてＮＯ）、Ｓ１２０にて、圧縮比が、第１圧縮比ＣＲ１および第２圧縮比ＣＲ２よりも低い圧縮比にされる。エンジン１００の暖機終了後の圧縮比は、吸気バルブ１１８の位相に応じて定められる任意の圧縮比である。

さらに、Ｓ１２２にて、第１圧縮比ＣＲ１および第２圧縮比ＣＲ２よりも低い圧縮比に対して定められた燃費最適ラインに従って、エンジン１００の動作点が定められる。

以上のように、本実施の形態においては、触媒１１２の暖機の実行状態およびエンジン１００の暖機の実行状態に応じて、圧縮比が変更される。触媒１１２の暖機中は、圧縮比が最も高くされる。これにより、熱効率を高めることができる。よって、より少ない燃料で触媒１１２を暖機できる。エンジン１００の暖機中における圧縮比は、触媒１１２の暖機中の圧縮比よりも低く、かつエンジン１００の暖機終了後の圧縮比よりも高くされる。これにより、ノッキングを抑制しつつ、熱効率を向上できる。

なお、上述した説明においては、エンジン１００を電気式無段変速機に連結したハイブリッド車について説明したが、金属ベルトまたはチェーンをプライマリプーリおよびセカンダリプーリが挟持する無段変速機、トロイダル式無段変速機、ハーフトロイダル式無段変速機などの無段変速機にエンジン１００を連結した、ハイブリッド車ではない車両を用いても良い。

さらに、可変バルブタイミング機構１２６にて圧縮比を変更する代わりに、シリンダ１０６の容積を変更可能な可変圧縮比機構またはピストンのストローク長を変更可能な可変圧縮比機構（たとえば複リンク式ピストンストローク機構）を用いて圧縮比を変更するようにしてもよい。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ エンジン、１０２ エアクリーナ、１０４ スロットルバルブ、１０６ シリンダ、１０８ インジェクタ、１１０ 点火プラグ、１１２ 触媒、１１４ ピストン、１１６ クランクシャフト、１１８ 吸気バルブ、１２０ 排気バルブ、１２２，１２４ カム、１２６ 可変バルブタイミング機構、２００ 第１モータジェネレータ、２１０，３５０ インバータ、３００ 動力分割機構、４００ 第２モータジェネレータ、６００ 出力軸、７００ 蓄電装置、８００ カム角センサ、８０２ クランク角センサ、８０４ 水温センサ、８０６ エアフローメータ、１０００ ＥＣＵ。

Claims (5)

1. 排気ガスを浄化する触媒が設けられた内燃機関の制御装置であって、
   前記触媒の暖機中は前記触媒の暖機終了後に比べて前記内燃機関における圧縮比を高くするための第１の変更手段と、
   前記触媒の暖機終了後において、前記内燃機関の暖機中は前記内燃機関の暖機終了後に比べて前記内燃機関における圧縮比を高くするための第２の変更手段とを備える、内燃機関の制御装置。
2. 圧縮比に応じて前記内燃機関の動作点を変更するための手段をさらに備える、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記内燃機関は、無段変速機に連結される、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記触媒の暖機中は、点火時期を遅角するための遅角手段をさらに備える、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記第１の変更手段および前記第２の変更手段のうちの少なくとも一方は、吸気バルブの位相を進角することにより、前記内燃機関における圧縮比を高くする、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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