JP6398943B2

JP6398943B2 - 車両

Info

Publication number: JP6398943B2
Application number: JP2015209794A
Authority: JP
Inventors: 英和縄田; 大吾安藤; 良和浅見
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2015-10-26
Publication date: 2018-10-03
Anticipated expiration: 2035-10-26
Also published as: JP2017082619A

Description

本発明は、複数の気筒を有するエンジンを備える車両に関する。

特開２０１４−７４３３６号公報（特許文献１）には、複数の気筒を有するエンジンを備える車両において、複数の気筒の一部に燃焼異常（プレイグニッション）が検出された場合、異常気筒への燃料カットを行ない、正常気筒のみでエンジンを作動させる運転（以下「異常気筒燃料カット運転」ともいう）を実行することが開示されている。

特開２０１４−７４３３６号公報

上述の異常気筒燃料カット運転が行なわれる際に、エンジンの負荷が高い状態になると、正常気筒への燃料噴射量が増量されてリッチ状態となることに起因して、正常気筒内で燃焼しなかった未燃焼ガスが排気管へ流出し得る。排気管へ流出した未燃焼ガスが異常気筒からの空気（酸素）と反応して燃焼すると、排気管内に設けられる触媒が加熱され、最終的には過熱状態となることが懸念される。

触媒過熱を防止するための方策として、触媒の温度がしきい値以上である場合には、正常気筒を含めた全気筒の燃料カットを行なってエンジンを停止させる運転（以下「全気筒燃料カット運転」という）を行なうことが想定される。

しかしながら、異常気筒燃料カット運転と全気筒燃料カット運転とを触媒の温度に応じて切り替えると、双方の運転の間でハンチングが生じる可能性がある。すなわち、全気筒燃料カット運転中は各気筒から排出される空気によって触媒が冷却されるため触媒の温度が低下する一方、異常気筒燃料カット運転中は上述のように触媒の温度が上昇する傾向にある。したがって、全気筒燃料カット運転によって触媒の温度がしきい値未満に低下して異常気筒燃料カット運転に切り替えられたとしても、異常気筒燃料カット運転への切替後にエンジンの高負荷状態が継続することによって触媒の温度が再びしきい値以上に上昇して全気筒燃料カット運転に戻される現象が繰り返される可能性がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、異常気筒燃料カット運転と全気筒燃料カット運転との間のハンチングを発生し難くすることである。

この発明に係る車両は、複数の気筒を有するエンジンと、エンジンの排気を浄化する触媒と、エンジンを制御する制御装置とを備える。制御装置は、複数の気筒の一部に燃焼異常が生じる異常気筒が含まれ、かつ触媒の温度がしきい値以上である場合、複数の気筒への燃料供給を停止する。制御装置は、複数の気筒の一部に異常気筒が含まれ、かつ触媒の温度がしきい値未満である場合、異常気筒への燃料供給を停止し異常気筒以外の正常気筒へ燃料を供給するとともに、正常気筒の点火時期の遅角量が大きい場合は小さい場合に比べてエンジンのパワーおよび回転速度の少なくとも一方を小さい値にする。

上記構成によれば、異常気筒への燃料供給を停止し正常気筒へ燃料を供給する際（すなわち異常気筒燃料カット運転を行なう際）に、正常気筒の点火時期の遅角量が大きい場合は小さい場合に比べてエンジンの出力（パワーおよび回転速度の少なくとも一方）が制限される。これにより、異常気筒燃料カット運転中に、点火時期の遅角によって排気温が上昇し得る状況になったとしても、エンジンの出力が制限されることによってエンジン全体の発熱量が抑えらるため、トータルとして排気温の上昇が抑えられる。そのため、異常気筒燃料カット運転中において触媒温度の上昇を抑えて、全気筒燃料カット運転に切り替えられ難くすることができる。その結果、異常気筒燃料カット運転と全気筒燃料カット運転との間のハンチングを発生し難くすることができる。

車両の全体ブロック図である。エンジンおよびその周辺の構成を示す図である。ＥＣＵの処理手順を示すフローチャートである。点火遅角量と上限エンジンパワーＰｅｍａｘとの対応関係を模式的に示す図である。点火遅角量と上限エンジン回転速度Ｎｅｍａｘとの対応関係を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜車両の全体構成＞
図１は、この発明の実施の形態による車両１の全体ブロック図である。車両１は、エンジン１００と、モータジェネレータ１０，２０と、動力分割装置４０と、減速機５０と、パワーコントロールユニット（Power Control Unit、以下「ＰＣＵ」という）６０と、バッテリ７０と、駆動輪８０と、電子制御ユニット（Electronic Control Unit、以下「ＥＣＵ」という）２００と、を備える。

車両１は、エンジン１００とモータジェネレータ２０との少なくとも一方の動力を用いて走行するハイブリッド車両である。車両１は、エンジン１００を停止しモータジェネレータ２０の動力を用いる電気自動車走行（以下「ＥＶ走行」という）と、エンジン１００およびモータジェネレータ２０の双方の動力を用いるハイブリッド自動車走行（以下「ＨＶ走行」という）との間で走行態様を切り替えることができる。

エンジン１００は、複数（図１に示す例では４つ）の気筒を有し、各気筒の燃焼室に吸入された空気と燃料との混合気を燃焼させたときに生じる燃焼エネルギによってクランクシャフトを回転させる。エンジン１００の点火時期、燃料噴射量、吸入空気量などは、ＥＣＵ２００からの制御信号に応じて制御される。

モータジェネレータ１０，２０は、交流電動機であり、たとえば、三相交流同期電動機である。エンジン１００が発生する駆動力は、動力分割装置４０によって、減速機５０を介して駆動輪８０へ伝達される動力と、モータジェネレータ１０へ伝達される動力とに分割される。

動力分割装置４０は、サンギヤと、ピニオンギヤと、キャリアと、リングギヤとを含む遊星歯車から成る。ピニオンギヤは、サンギヤおよびリングギヤと係合する。キャリアは、ピニオンギヤを自転可能に支持するとともに、エンジン１００のクランクシャフトに連結される。サンギヤは、モータジェネレータ１０の回転軸に連結される。リングギヤはモータジェネレータ２０の回転軸および減速機５０に連結される。

ＰＣＵ６０は、ＥＣＵ２００からの制御信号に応じて作動し、バッテリ７０とモータジェネレータ１０，２０との間で電力変換を行なう。バッテリ７０は、モータジェネレータ１０，２０を駆動するための電力を蓄える。バッテリ７０は、代表的には、ニッケル水素電池またはリチウムイオン電池等の二次電池である。バッテリ７０の出力電圧は、たとえば２００ボルト程度である。なお、バッテリ７０に代えて、大容量のキャパシタを用いてもよい。

エンジン１００から排出される排気ガスは、車両１のフロア下に設けられた排気管１２０を通って大気に排出される。排気管１２０は、エンジン１００から車両１の後端部まで延在している。排気管１２０の途中には、排気ガスを浄化する触媒１４０が設けられる。

ＥＣＵ２００は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを内蔵し、当該メモリに記憶されたマップおよびプログラムと各センサの検出結果とに基づいて所定の演算処理を実行し、その演算処理の結果で車両１が所望の状態となるように車両１の各機器を制御する。

＜エンジンの構成＞
図２は、エンジン１００およびその周辺の構成を示す図である。なお、図２には１つの気筒が代表的に示されているが、実際には上述のようにエンジン１００は複数の気筒を有する。

このエンジン１００においては、エアクリーナ（図示せず）から吸入される空気が、吸気管１１０を流通して、エンジン１００の燃焼室１０２に導入される。スロットルバルブ１１４の作動量（スロットル開度）によって、燃焼室１０２に導入される空気量が調整される。スロットル開度は、ＥＣＵ２００からの信号に基づいて作動するスロットルモータ１１２により制御される。

インジェクタ１０４は、フューエルタンク（図示せず）に貯蔵された燃料を気筒内の燃焼室１０２に噴射する。インジェクタ１０４は、ＥＣＵ２００からの制御信号に応じて通電されると開弁して燃焼室１０２へ向けて燃料を噴射する。なお、図１には、インジェクタ１０４から気筒内に燃料を噴射する場合が示されているが、インジェクタ１０４から吸気通路内に燃料を噴射するようにしてもよい。

吸気管１１０から導入された空気と、インジェクタ１０４から噴射された燃料との混合気が、ＥＣＵ２００からの制御信号により制御されるイグニッションコイル１０６を用いて着火されて燃焼する。

混合気が燃焼した後の排気は、排気管１２０に送られて触媒１４０で浄化された後、車外に放出される。触媒１４０は、排気中に含まれる有毒物質（炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物など）を浄化処理する。触媒１４０は、炭化水素と一酸化炭素の酸化反応と、窒素酸化物の還元反応を同時に行なわせることができる三元触媒である。

ＥＣＵ２００には、角度センサ１０７、水温センサ１０８、ノックセンサ１０９、エアフロメータ１１６、空気温センサ１１８、空燃比センサ１２２、酸素センサ１２４、および温度センサ１２６からの信号が入力されている。

角度センサ１０７は、クランク角（エンジン１００のクランクシャフトの回転角）ＣＡを検出する。水温センサ１０８は、エンジン水温（エンジン冷却水の温度）ＴＨｗを検出する。ノックセンサ１０９は、エンジン１００のノッキングの発生（シリンダブロックの振動）を検出する。エアフロメータ１１６は、吸入空気量（エンジン１００に吸入される単位時間あたりの空気量）Ｇａを検出する。空気温センサ１１８は、吸気温（吸入空気の温度）ＴＨａを検出する。空燃比センサ１２２は、排気中における空燃比（燃料質量に対する空気質量の比）Ａ／Ｆを検出する。酸素センサ１２４は、排気中の酸素濃度を検出する。温度センサ１２６は、触媒１４０の温度（以下「触媒温度」ともいう）ＴＨｃを検出する。これらのセンサは、検出結果を表わす信号をＥＣＵ２００に送信する。

ＥＣＵ２００は、各センサから送られてきた信号などに基づいて、適正な点火時期となるようにイグニッションコイル１０６を制御したり、適正なスロットル開度となるようにスロットルモータ１１２を制御したり、適正な燃料噴射量となるようにインジェクタ１０４を制御したりする。たとえば、ＥＣＵ２００は、ノックセンサ１０９がノッキングの発生を検出すると、点火時期を遅角させることによってノッキングの発生を抑制する。

＜エンジンの運転モードの切替＞
ＥＣＵ２００は、たとえばアクセルペダル操作量の増加に伴なってエンジン作動要求がなされた場合、エンジン１００を通常モードまたは燃料カットモードのどちらかの運転モードでエンジン１００を運転する。

通常モードは、エンジン１００の全気筒に燃料を供給して全気筒の燃焼エネルギによってエンジン１００を作動させるモードである。以下では、通常モードによるエンジン１００の運転を「通常運転」とも記載する。

燃料カットモードは、エンジン１００の複数の気筒の一部に燃焼異常が生じる気筒（以下「異常気筒」ともいう）が含まれる場合に、少なくとも異常気筒への燃料供給を停止するモードである。本実施の形態による燃料カットモードには、２つのモード、すなわち異常気筒燃料カットモードと全気筒燃料カットモードとが含まれる。

異常気筒燃料カットモードは、異常気筒のみ燃料供給を停止し、異常気筒以外の気筒（以下「正常気筒」ともいう）へ燃料を供給して正常気筒の燃焼エネルギでエンジン１００を作動させるモードである。以下では、異常気筒燃料カットモードによるエンジン１００の運転を「異常気筒燃料カット運転」あるいは「異常気筒ＦＣ」（ＦＣ：Fuel Cut）とも記載する。

一方、全気筒燃料カットモードは、異常気筒および正常気筒を含む全気筒への燃料供給を停止し、エンジン１００を停止させるモードである。したがって、全気筒燃料カットモードが選択された場合には、たとえエンジン作動要求がなされていてもエンジン１００は停止され、ＥＶ走行が行なわれる。以下では、全気筒燃料カットモードによるエンジン１００の運転を「全気筒燃料カット運転」あるいは「全気筒ＦＣ」とも記載する。

エンジン作動要求がなされているときに異常気筒が検出された場合、エンジン作動要求に応えるためには、エンジン１００が完全に停止される全気筒ＦＣではなく、正常気筒でエンジン１００を作動させる異常気筒ＦＣを行なうことが望ましい。しかしながら、異常気筒ＦＣ中にエンジン１００の負荷が高い状態であると、正常気筒への燃料噴射量が増量されてリッチ状態となることに起因して、正常気筒内で燃焼しなかった未燃焼ガスが正常気筒から排気管１２０へ流出し得る。排気管１２０へ流出した未燃焼ガスが異常気筒からの空気（酸素）と反応して燃焼すると、排気管１２０内に設けられる触媒１４０が加熱され、最終的には過熱状態となることが懸念される。

そのため、ＥＣＵ２００は、触媒温度ＴＨｃがしきい値未満である場合（触媒１４０が過熱状態となる可能性が低い場合）には異常気筒ＦＣを行なうが、触媒温度ＴＨｃがしきい値以上である場合（触媒１４０が過熱状態となる可能性が高い場合）には全気筒ＦＣを行なう。これにより、触媒１４０が過熱状態となることが防止される。

＜異常気筒ＦＣ中のエンジン出力制限＞
上述のように、異常気筒ＦＣと全気筒ＦＣとを触媒温度ＴＨｃに応じて切り替える場合、双方の運転の間でハンチングが発生する可能性がある。すなわち、全気筒ＦＣ中は各気筒から排出される空気によって触媒１４０が冷却されるため触媒温度ＴＨｃが低下する一方、異常気筒ＦＣ中は上述のように触媒１４０が加熱されるため触媒温度ＴＨｃが上昇する傾向にある。したがって、全気筒ＦＣ中に触媒温度ＴＨｃがしきい値未満に低下して異常気筒ＦＣに切り替えられたとしても、異常気筒ＦＣへの切替後にエンジン１００の負荷が高い状態が継続すると触媒温度ＴＨｃが再びしきい値以上に上昇して全気筒ＦＣに戻される現象が繰り返される可能性がある。

そこで、本実施の形態によるＥＣＵ２００は、異常気筒ＦＣ中において、正常気筒の点火時期の遅角量に応じてエンジン１００の出力（パワーおよび回転速度）を制限する。すなわち、一般的に、点火時期の遅角量（以下「点火遅角量」ともいう）が大きいほど、排気温が上昇することが知られている。そこで、ＥＣＵ２００は、異常気筒ＦＣ中において、正常気筒の点火遅角量が大きい場合は小さい場合に比べてエンジン１００のパワーおよび回転速度を低下させる。これにより、たとえばノッキングの発生を抑制するために点火時期が遅角されて排気温が上昇し得る状況においても、エンジン１００の出力が制限されることによってエンジン１００の全体の発熱量が抑えらるため、トータルとして排気温の上昇が抑えられる。そのため、異常気筒ＦＣ中において触媒温度ＴＨｃを上昇させ難くして、全気筒ＦＣに切り替えられ難くすることができる。その結果、異常気筒ＦＣと全気筒ＦＣとの間のハンチングを発生し難くすることができる。

図３は、ＥＣＵ２００がエンジン１００を制御する際に行なう処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、所定周期で繰り返し実行される。

ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と略す）１０にて、ＥＣＵ２００は、エンジン作動要求があるか否かを判定する。たとえば、ＥＣＵ２００は、アクセルペダル操作量と車速とからユーザの要求パワーを算出し、要求パワーが所定パワーを超えている場合にエンジン作動要求があると判定する。エンジン作動要求がない場合（Ｓ１０にてＮＯ）、ＥＣＵ１００は処理を終了させる。

エンジン作動要求がある場合（Ｓ１０にてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、Ｓ１１にて、エンジン１００の複数の気筒の一部に異常気筒が含まれているか否かを判定する。たとえば、ＥＣＵ２００は、複数の気筒にそれぞれ設けられる複数のインジェクタ１０４の一部に、異常なインジェクタ１０４（たとえばＥＣＵ２００との断線が検出されたインジェクタ１０４）が含まれる場合、その異常なインジェクタ１０４に対応する気筒が異常気筒であると判定する。

異常気筒がない場合（Ｓ１１にてＮＯ）、ＥＣＵ２００は、Ｓ１２にて、エンジン１００の運転モードとして通常モードを選択する。これにより、エンジン１００の通常運転が行なわれる。

一方、異常気筒がある場合（Ｓ１１にてＹＥＳ）、ＥＣＵ２００は、エンジン１００の運転モードとして燃料カットモードを選択する（Ｓ２０〜Ｓ２３）。具体的には、ＥＣＵ２００は、まず、Ｓ２０にて、温度センサ１２６によって検出された触媒温度ＴＨｃがしきい値未満であるか否かを判定する。なお、触媒温度ＴＨｃを直接的に検出する温度センサ１２６を備えない車両においては、たとえばエンジン１００の運転状況などから触媒温度ＴＨｃを推定するようにしてもよい。

触媒温度ＴＨｃがしきい値以上である場合（Ｓ２０にてＮＯ）、ＥＣＵ２００は、Ｓ２１にて、上述の全気筒ＦＣを行なう。これにより、触媒１４０が過熱状態となることが防止される。なお、全気筒ＦＣが行なわれる場合には、エンジン作動要求があるにも関わらずエンジン１００が停止されてＥＶ走行が行なわれることになる。エンジン１００の停止によって不足するパワーは、モータジェネレータ２０の出力によって補うことができる。

一方、触媒温度ＴＨｃがしきい値未満である場合（Ｓ２０にてＹＥＳ）、ＥＣＵ２００は、Ｓ２２にて上述の異常気筒ＦＣを行なう。これにより、異常気筒がある場合であっても、エンジン作動要求に応えて、正常気筒の燃焼エネルギでエンジン１００を作動させることができる。

さらに、ＥＣＵ２００は、Ｓ２３にて、正常気筒の点火遅角量に応じてエンジン１００の出力を制限する。これにより、上述のように異常気筒ＦＣ中において触媒温度ＴＨｃの上昇が抑制され、触媒温度ＴＨｃがしきい値を超え難くする（全気筒ＦＣに切り替えられ難くする）ことができる。なお、エンジン１００の出力制限によって不足するパワーは、モータジェネレータ２０の出力によって補うことができる。

Ｓ２３における制限の対象は、エンジン１００のパワーであってもよいし、エンジン１００の回転速度であってもよいし、エンジン１００のパワーおよび回転速度の双方であってもよい。また、具体的な出力制限の手法は、エンジン１００の出力の上限値を低下させるものであってもよいし、同一条件下におけるエンジン１００の出力を低下させるものであってもよい。

以下では、Ｓ２３の処理において、エンジン１００のパワーの上限値（以下「上限エンジンパワーＰｅｍａｘ」ともいう）およびエンジン１００の回転速度の上限値（以下「上限エンジン回転速度Ｎｅｍａｘ」ともいう）を点火遅角量に応じて制限する場合を例示的に説明する。

図４は、点火遅角量と上限エンジンパワーＰｅｍａｘとの対応関係を模式的に示す図である。図４に示されるように、ＥＣＵ２００は、点火遅角量が大きいほど、上限エンジンパワーＰｅｍａｘを小さい値に設定する。

図５は、点火遅角量と上限エンジン回転速度Ｎｅｍａｘとの対応関係を模式的に示す図である。図５に示されるように、ＥＣＵ２００は、点火遅角量が大きいほど、上限エンジン回転速度Ｎｅｍａｘを小さい値に設定する。

このように、本実施の形態によるＥＣＵ２００は、異常気筒ＦＣ中において、たとえばノッキングの発生を抑制するために点火時期が遅角されて排気温の上昇が生じ得る状況においても、点火遅角量が大きいほど、上限エンジンパワーＰｅｍａｘおよび上限エンジン回転速度Ｎｅｍａｘが小さい値に低下される。これにより、エンジン１００の全体の発熱量が抑えらるため、トータルとして排気温の上昇が抑えられる。そのため、異常気筒ＦＣ中において触媒温度ＴＨｃを上昇させ難くして、全気筒ＦＣに切り替えられ難くすることができる。その結果、異常気筒ＦＣと全気筒ＦＣとの間のハンチングを発生し難くすることができる。

なお、上述の実施の形態においては駆動源としてエンジン１００とモータジェネレータ２０とを備えるハイブリッド車両に本発明を適用する場合を説明したが、本発明は、モータジェネレータを備えない通常のエンジン車両にも適用可能である。すなわち、通常のエンジン車両に本発明を適用する場合においても、異常気筒ＦＣ中において点火遅角量に応じてエンジン出力を制限することによって触媒温度ＴＨｃを上昇させ難くして、異常気筒ＦＣと全気筒ＦＣとの間のハンチングを発生し難くすることができる。

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。

１車両、１０，２０モータジェネレータ、４０動力分割装置、５０減速機、６０ＰＣＵ、７０バッテリ、８０駆動輪、１００エンジン、１０２燃焼室、１０４インジェクタ、１０６イグニッションコイル、１０７角度センサ、１０８水温センサ、１０９ノックセンサ、１１０吸気管、１１２スロットルモータ、１１４スロットルバルブ、１１６エアフロメータ、１１８センサ、１２０排気管、１２２空燃比センサ、１２４酸素センサ、１２６温度センサ、１４０触媒、２００ＥＣＵ。

Claims

複数の気筒を有するエンジンと、
前記エンジンの排気を浄化する触媒と、
前記エンジンを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記複数の気筒の一部に燃焼異常が生じる異常気筒が含まれ、かつ前記触媒の温度がしきい値以上である場合、前記複数の気筒への燃料供給を停止し、
前記複数の気筒の一部に前記異常気筒が含まれ、かつ前記触媒の温度が前記しきい値未満である場合、前記異常気筒への燃料供給を停止し前記異常気筒以外の正常気筒へ燃料を供給するとともに、前記正常気筒の点火時期の遅角量が大きい場合は小さい場合に比べて前記エンジンのパワーおよび回転速度の少なくとも一方を小さい値にする、車両。