JP6520751B2

JP6520751B2 - 車両の制御装置

Info

Publication number: JP6520751B2
Application number: JP2016028917A
Authority: JP
Inventors: 林　孝太郎; 孝太郎林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2036-02-18
Also published as: JP2017145777A

Description

本発明は、リーン燃焼運転が可能な内燃機関を駆動力源として搭載した車両の制御装置に関する。

従来から、ガソリン混合気の空燃比を、理論空燃比と理論空燃比よりも大きい（リーンな）空燃比（リーン空燃比）との間で切替え可能な内燃機関が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。なお、本明細書において、ガソリン混合気の空燃比が理論空燃比に設定されている場合の機関の運転を「ストイキ燃焼運転」と称呼し、ガソリン混合気の空燃比がリーン空燃比に設定されている場合の機関の運転を「リーン燃焼運転」と称呼する場合がある。

特開２００３−６５１２７号公報

ところで、例えば、アイドル運転状態のように、機関の負荷が極めて小さい場合（即ち、機関に要求されるトルクが小さい場合）にリーン燃焼運転が行われると、混合気の燃焼温度が低くなって失火する場合がある。更に、始動直後のアイドル運転時にリーン燃焼運転が行われると、排気浄化触媒（以下、単に「触媒」と称呼する。）が正常に機能する温度に達するまでの時間（即ち、活性化するまでの時間）が長くなるという問題がある。そこで、従来の制御装置は、機関の負荷が極めて小さくなった場合、機関の運転をリーン燃焼運転からストイキ燃焼運転へと切り替えている。

しかしながら、機関の運転をストイキ燃焼運転とリーン燃焼運転との間で切替える際、ガソリン混合気の空燃比が「触媒においてＮＯｘが完全には還元されない」空燃比となるので、温室効果ガスである一酸化二窒素（亜酸化窒素：Ｎ_２Ｏ）が生成されてしまうという問題があることが、発明者の検討により明らかになった。Ｎ_２Ｏの地球温暖化係数は２９８である。即ち、Ｎ_２Ｏは同じ重量のＣＯ_２と比べて２９８倍の温室効果を有する。よって、Ｎ_２Ｏは僅かな量であっても地球温暖化に与える影響は大きく、極力その生成が抑えられることが望ましい。

本発明は上記問題に対処するために為されたものである。即ち、本発明の目的の一つは、車両に搭載された発電機による発電を利用してリーン燃焼運転とストイキ燃焼運転との間の運転切替え頻度を低減することにより、Ｎ_２Ｏの生成量を低減することが可能な車両の制御装置を提供することにある。

本発明の車両の制御装置（以下、「本発明装置」とも称呼する。）は、車両（１０）の駆動源としての内燃機関（２０）と、前記車両に搭載され且つ前記機関により駆動されることにより発電を行う発電機（５１）と、前記車両に搭載され且つ前記発電機が発電する電力により充電される蓄電池（５３）と、前記機関の排気通路に配設された三元触媒（３６）と、備える車両に適用され、
前記車両の運転者により要求されるユーザ要求トルクに相関を有するパラメータに基づいて前記機関に要求される機関要求トルク（Ｔｑｔｇｔ）を決定する機関要求トルク決定手段（ステップ５１０）と、
前記機関要求トルクと前記機関の回転速度（ＮＥ）とにより決まる動作点が、前記機関要求トルクが一定の低側トルク閾値（Ｔｑｂ）以上であり且つ所定の高側トルク閾値（Ｔｑｃ）以下、且つ、前記機関の回転速度が低側速度閾値（ＮＥＬ）以上であり且つ高側速度閾値（ＮＥＨ）以下である、リーン燃焼運転領域（Ｒ１）外にある場合に前記機関の燃焼室（２８）内に形成される混合気の空燃比を理論空燃比に設定し（ステップ５１５：Ｎｏ、及び、ステップ５３５）、前記動作点が、前記リーン燃焼運転領域内にある場合に前記混合気の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に設定する（ステップ５１５：Ｙｅｓ、及び、ステップ５２０）、空燃比設定手段と、
を含む制御装置（７０）を備える。

本発明装置によれば、機関要求トルクと機関の回転速度とにより決まる動作点がリーン燃焼運転領域外（ストイキ燃焼運転領域（Ｒ２））にある場合にはストイキ燃焼運転が行われる。これにより、失火の発生が回避される。更に、本発明装置によれば、機関要求トルクと機関の回転速度とにより決まる動作点がリーン燃焼運転領域（Ｒ１）内にある場合にはリーン燃焼運転が行われる。これにより、燃費が改善される。しかしながら、動作点がリーン燃焼運転領域内にあるか否かに応じて機関の運転をリーン燃焼運転とストイキ燃焼との間で切り替えると、Ｎ₂Ｏが多く生成される場合が生じる。

そこで、前記制御装置は、前記三元触媒の温度（Ｔｃａｔ）に相関を有する温度パラメータを取得するとともに、前記混合気の空燃比が前記リーン空燃比に設定されている状態から前記機関要求トルクが低下して前記低側トルク閾値以下となった場合（ステップ５２５：Ｙｅｓ）、
前記温度パラメータにより表される前記三元触媒の温度（Ｔｃａｔ）が、前記三元触媒が全く活性化していない第１温度領域（ＲＴ１）と前記三元触媒の活性化が不十分な状態にあり且つ前記第１温度領域よりも高い温度である第２温度領域（ＲＴ２）との間の温度である不活性化温度（Ｔｎｏｐ＝Ｔ１）より高いときには、前記発電機の発電量を増加させることにより前記機関要求トルクを前記低側トルク閾値以上に変更して、前記混合気の空燃比を前記リーン空燃比に維持しながら前記機関の運転を行い（ステップ５３０：Ｎｏ、ステップ５４５、ステップ５５０、ステップ５１０、ステップ５１５：Ｙｅｓ及びステップ５２０）、
前記温度パラメータにより表される前記三元触媒の温度（Ｔｃａｔ）が、前記不活性化温度（Ｔｎｏｐ＝Ｔ１）以下であるときには、前記混合気の空燃比を理論空燃比に設定して前記機関の運転を行う（ステップ５３０：Ｙｅｓ、及び、ステップ５３５）、
ように構成される。

これによれば、混合気の空燃比がリーン空燃比に設定されている状態から機関要求トルクが低下して低側トルク閾値以下となった場合（即ち、従来装置において機関の運転がストイキ燃焼運転に切り替えられる場合）であっても、三元触媒の温度が不活性化温度より高いときには、発電機の発電量を増加させることにより機関要求トルクが低側トルク閾値以上に変更されて、リーン燃焼運転が継続される。この結果、ガソリン混合気の空燃比が「触媒においてＮＯｘが完全には還元されない」空燃比とならないので、Ｎ₂Ｏの生成量を低減させることができる。加えて、機関要求トルクが増大させられることにより、リーン燃焼運転において失火が発生しないようにすることができる。

加えて、混合気の空燃比がリーン空燃比に設定されている状態から機関要求トルクが低下して低側トルク閾値以下となった場合（即ち、従来装置において機関の運転がストイキ燃焼運転に切り替えられる場合）であっても、三元触媒の温度が不活性化温度以下であるときには、触媒においてＮＯｘの還元がなされないことから触媒においてＮ₂Ｏが生成されることもない。従って、本発明装置は、機関の運転をリーン燃焼運転からストイキ燃焼運転に切り替える。これにより、失火の発生を回避しながらＮ₂Ｏの生成量を低減することができる。更に、触媒温度をできるだけ早く上昇させて触媒の活性化を促進することができる。

上記説明においては、本発明の理解を助けるために、後述する実施形態に対応する発明の構成に対し、その実施形態で用いた名称及び／又は符号を括弧書きで添えている。しかしながら、本発明の各構成要素は、前記符号によって規定される実施形態に限定されるものではない。本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。

図１は、本発明の実施形態に係る車両の制御装置の概略構成図である。図２は、図１に示した車両の制御装置の上流側触媒のエミッション浄化率を示す図である。図３は、図１に示した車両の制御装置の上流側触媒の出口におけるＮ_２Ｏ濃度の空燃比モードに対する変化を表す図である。図４は、図１に示した車両の制御装置の上流側触媒の内燃機関始動時における温度の推移と触媒出口におけるＮ_２Ｏ濃度の推移を表す図である。図５は、図１に示した車両の制御装置のＣＰＵが実行する「運転モード決定ルーチン」を示したフローチャートである。図６は、図１に示した車両の制御装置のＣＰＵが参照するルックアップテーブルである。図７は、機関回転速度及び機関要求トルクと、リーン燃焼運転領域と、の関係を表す図である。図８は、図１に示した車両の制御装置のＣＰＵが実行する「発電電力アップ停止ルーチン」を示したフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る車両の制御装置（以下、「本制御装置」と称呼する。）について説明する。

（構成）
本制御装置は、図１に示した車両１０に適用される。車両１０は、内燃機関２０、オルタネータ５１、レギュレータ５２、蓄電池５３、動力伝達機構６０及び電子制御装置７０等を備えている。

内燃機関（以下、単に「機関」とも称呼する。）２０は、火花点火式の４サイクル・ピストン往復動型・直列４気筒・直噴ガソリン機関である。機関２０は、周知のエンジンアクチュエータ２１を備えている。エンジンアクチュエータ２１には、燃料噴射弁（インジェクタ）２２を含む燃料供給装置、点火プラグを含む点火装置２３及びスロットルモータ２４等が含まれる。機関２０は、リーン燃焼運転とストイキ燃焼運転との何れでも運転され得る。

機関２０は、ストイキ燃焼運転にて運転されているとき、スロットルモータ２４により吸気通路に配設されたスロットル弁２５の開度が変更されることによって吸入空気量が変更され、その吸入空気量に応じて燃料噴射量が変更されることにより、発生するトルクを変更することができる。機関２０は、機関２０の出力軸であるクランクシャフト２６にトルクを発生する。

機関２０は、リーン燃焼運転にて運転されているとき、スロットルモータ２４によりスロットル弁２５が略全開に維持され、燃料噴射量及び燃料噴射時期等が変更されることにより、発生するトルクを変更することができる。

機関２０は、シリンダブロック、シリンダヘッド及びクランクケース等を含む本体２７を備える。本体２７には４つの気筒（燃焼室）２８が形成されている。各気筒２８の上部には燃料噴射弁２２及び点火装置２３が配設されている。燃料噴射弁２２は、後述する電子制御装置７０の指示に応答して開弁し、気筒内に燃料を直接噴射するようになっている。

機関２０は、燃料加圧ポンプと、燃料送出管と、デリバリパイプと、を含む燃料供給系統３１を備えている。機関２０は、更に、インテークマニホールド３２、吸気管３３、エキゾーストマニホールド３４、排気管３５、上流側触媒３６、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３７及び下流側触媒３８を備えている。以下において、上流側触媒３６は「ＳＣ触媒３６」と称呼され、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３７は「ＮＳＲ触媒３７」と称呼される。ＳＣは、Start-up Converterの略であり、ＮＳＲは、NOx Storage Reductionの略である。

エキゾーストマニホールド３４は各気筒２８に接続された枝部と、枝部が集合した集合部と、を含む。排気管３５はエキゾーストマニホールド３４の集合部に接続されている。エキゾーストマニホールド３４及び排気管３５は排気通路を構成している。排気管３５には、排ガスの流れの上流から下流に向け、ＳＣ触媒３６、ＮＳＲ触媒３７、下流側触媒３８が配設されている。

ＳＣ触媒３６及び下流側触媒３８は、所謂、白金及びパラジウム等の貴金属からなる活性成分を担持する三元触媒装置（排気浄化装置）である。各触媒は、各触媒に流入するガスの空燃比が理論空燃比であるとき、ＨＣ及びＣＯ等の未燃成分を酸化するとともに窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する機能を有する。この機能は触媒機能とも称呼される。更に、各触媒は、酸素を吸蔵（貯蔵）する酸素吸蔵能を有し、空燃比が理論空燃比から偏移したとしても、未燃成分及び窒素酸化物を浄化することができる。この酸素吸蔵能は、触媒に担持されている酸化セリウム（ＣｅＯ_２）によってもたらされる。

ＮＳＲ触媒３７は、内燃機関２０のリーン燃焼運転時にＳＣ触媒３６にて浄化できずに排出されるＮＯｘを吸蔵材に貯蔵する。この機能により、リーン燃焼運転中においてＮＯｘが大気中に放出される事態を抑制することができる。ＮＳＲ触媒３７のＮＯｘ吸蔵能はＮＯｘの吸蔵量が増加するにつれて低下するので、リーン燃焼運転が長時間継続されると、ＮＯｘが吸蔵されずにＮＳＲ触媒３７の下流に流出する。そこで、本制御装置は、ＮＳＲ触媒３７に吸蔵されているＮＯｘを定期的に脱離させるためのリッチスパイク制御を実行する。より具体的に述べると、ＮＳＲ触媒３７のＮＯｘの吸蔵量が所定の吸蔵限界量（例えば、ＮＯｘの最大吸蔵量の８割に相当する量）に達すると、極く短い時間、混合気の空燃比を理論空燃比よりも小さい（リッチな）空燃比（例えば、空燃比＝１２）に設定する「リッチスパイク」を導入する。このとき、排気ガス中のＣＯ、Ｈ_２及びＨＣを還元剤としてＮＯｘがＮ_２まで還元される。

クランクシャフト２６の一端は、動力伝達機構６０の一部である変速機６１の入力軸に接続されている。
クランクシャフト２６の他端には、クランクシャフトプーリ４２が固定されている。
クランクシャフトプーリ４２は、オルタネータプーリ４３に、ベルト４４を介して動力伝達可能に接続されている。
オルタネータプーリ４３は、オルタネータ５１の図示しないロータと一体的に回転するようになっている。

オルタネータ５１は、何れも図示しない「三相の捲線を有するステータコイル、ロータに巻回されたフィールドコイル、及び、ステータコイルに発生した交流電流を直流電流に整流する整流器」を備える三相交流発電機である。オルタネータ５１は、フィールドコイルにフィールド電流が流されたとき、ステータコイルに誘起電流（三相交流電流）を発生させ、発生した三相交流電流を直流電流に整流して出力する。

レギュレータ５２はオルタネータ５１により生成した直流電流を一定の電圧に変換する。レギュレータ５２は、電子制御装置（ＥＣＵ）７０の指示に基づいてフィールド電流の電流値を制御することができる。よって、レギュレータ５２は、オルタネータ５１の出力電圧を調整することができ、その結果、オルタネータ５１の発電量を調整することができる。

蓄電池５３は、エンジンアクチュエータ２１及び車両１０内の電装品を作動させるための電気エネルギーを蓄える蓄電手段であり、充電と放電とを繰り返すことができるリチウムイオン電池等の二次電池により構成されている。なお、蓄電池５３は、放電及び充電が可能な蓄電装置であればよく、従って、ニッケル水素電池、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池及び他の二次電池であってもよい。

動力伝達機構６０は、変速機６１に加え、プロペラシャフト６２、ディファレンシャルギア６３及び駆動軸（ドライブシャフト）６４を含んでいる。

変速機６１の出力軸は、プロペラシャフト６２の一端に連結されている。プロペラシャフト６２の他端は、ディファレンシャルギア６３を介して駆動軸６４に連結されている。駆動軸６４の両端には駆動輪Ｗが取り付けられている。従って、変速機６１の出力軸のトルクは、ディファレンシャルギア６３及び駆動軸６４を介して駆動輪Ｗに伝達される。この駆動輪Ｗに伝達されたトルクにより車両１０は走行することができる。

電子制御装置（ＥＣＵ）７０は、周知のマイクロコンピュータを含む電子回路であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ（スタティックＲＡＭ又は不揮発性メモリ）及びインタフェース等を含む。電子制御装置７０は、燃料噴射弁２２、点火装置２３、スロットルモータ２４、レギュレータ５２及び蓄電池５３等と電気的に接続されている。

電子制御装置７０は、ＣＰＵからの指示に応じて、燃料噴射弁２２、点火装置２３及びスロットルモータ２４等のアクチュエータに指示（駆動）信号を送出するようになっている。更に、電子制御装置７０は、クランクポジションセンサ９１、エアフローメータ９２、スロットル弁開度センサ９３、アクセル操作量センサ９４、水温センサ９５、上流側空燃比センサ９６、下流側空燃比センサ９７及び排ガス温度センサ９８等と電気的に接続されており、各センサからの信号を受信（入力）するようになっている。

クランクポジションセンサ９１は、クランクシャフト２６が１０°回転する毎に狭幅のパルスを有するとともにクランクシャフト２６が３６０°回転する毎に広幅のパルスを有する信号を出力するようになっている。この信号は、電子制御装置７０によって機関回転速度ＮＥ（機関２０の回転速度）に変換される。

エアフローメータ９２は、吸気管３３内を流れる吸入空気の質量流量（以下、「吸入空気量」と称呼する。）Ｇａに応じた信号を出力するようになっている。

スロットルポジションセンサ９３は、スロットルバルブ２５の開度（スロットル弁開度）を検出し、スロットル弁開度ＴＡを表す信号を出力するようになっている。

アクセル操作量センサ９４は、運転者により操作可能に設けられたアクセルペダルＡＰの操作量（以下、「アクセル操作量Ａｃｃｐ」と称呼する。）を表す出力信号を発生するようになっている。

水温センサ９５は、機関２０の冷却水の温度を検出し、冷却水温ＴＨＷを表す信号を出力するようになっている。

上流側空燃比センサ９６は、排気通路であってエキゾーストマニホールド３４の枝部の集合部又はその集合部よりも下流側であり且つＳＣ触媒３６の上流側に配設されている。上流側空燃比センサ９６は、限界電流式の酸素濃度センサである。上流側空燃比センサ９６は、その配設場所を流れる排ガスの空燃比に応じた電圧である出力値Ｖabyfs を出力するようになっている。即ち、上流側空燃比センサ９６は、被検出ガスの空燃比の変化に対してその出力が連続的に変化する広域空燃比センサである。

下流側空燃比センサ９７は、排気通路であってＮＳＲ触媒３７よりも下流側であり且つ下流側触媒３８よりも上流側に配設されている。下流側空燃比センサ９７は、周知の起電力式の酸素濃度センサ（安定化ジルコニアを用いた周知の濃淡電池型の酸素濃度センサ）である。下流側空燃比センサ９７は、その配設場所を流れる排ガスの空燃比に応じた出力値Ｖoxs を発生するようになっている。

排ガス温度センサ９８は、排気通路であってＳＣ触媒３６の出口近傍に配設されている。排ガス温度センサ９８は、ＳＣ触媒３６から流出した排出ガスの温度に応じた出力値を発生するようになっている。電子制御装置７０は、この出力値をＳＣ触媒３６の温度Ｔｃａｔ（以下、「触媒温度Ｔｃａｔ」とも称呼する。）として扱う。即ち、排ガス温度センサ９８の出力値は、ＳＣ触媒３６（三元触媒）の温度に相関を有する温度パラメータである。

（Ｎ_２Ｏの生成）
次に、気筒（燃焼室）２８内に形成される混合気の空燃比（以下、「機関の空燃比」と称呼する。）と、Ｎ_２Ｏの生成との関係について記述する。

触媒温度Ｔｃａｔが、ＳＣ触媒３６が完全に活性化した温度（例えば、４５０℃）である場合、図２に示したように、ＳＣ触媒３６のＮＯｘ浄化率は、空気過剰率（＝空燃比／理論空燃比）が「１」より小さい範囲（以下、「リッチ範囲」と称呼する。）及び空気過剰率が「１」前後（以下、「理論空燃比範囲」と称呼する。）の範囲において１００％に近い値となる。即ち、リッチ範囲及び理論空燃比範囲においては、ＳＣ触媒３６によるＮＯｘの還元反応は活発である。従って、機関の空燃比が図２の第１領域ＲＡ１（ストイキ運転領域ＲＡ１）に対応する空燃比である場合、換言すると、機関２０の運転がストイキ燃焼運転である場合、実質的に総てのＮＯｘがＮ_２まで還元されるので、Ｎ_２Ｏは生成されない。

空気過剰率の値が「１．０１」から「１．０２」の間である場合、ＳＣ触媒３６のＮＯｘ浄化率は急激に低下する。即ち、機関の空燃比が図２の第２領域ＲＡ２に対応する空燃比である場合、ＳＣ触媒３６によるＮＯｘの還元反応が不活発となる。従って、ＮＯｘは、Ｎ_２及びＮ_２Ｏへと変化する。その結果、Ｎ_２Ｏが生成されて大気に放出されてしまう。

リーン燃焼運転時の機関の空燃比は１７前後であり、空気過剰率の値は「１．１６前後」である。機関の空燃比が、リーン燃焼運転時の機関の空燃比に相当する「図２の第３領域ＲＡ３」に対応する空燃比である場合、ＮＯｘ浄化率は極めて低い。換言すると、リーン燃焼運転が行われている場合、ＳＣ触媒３６においてＮＯｘの還元反応は生じない。その結果、機関の空燃比が第３領域ＲＡ３（リーン運転領域ＲＡ３）に対応する空燃比である場合、換言すると、機関２０の運転がリーン燃焼運転である場合、ＮＯｘからＮ_２Ｏが生成されることはない。

ところで、機関２０の運転をストイキ燃焼運転とリーン燃焼運転との間で切り替える際、機関の空燃比は第２領域ＲＡ２に対応する空燃比を必然的に通過する。よって、ＳＣ触媒３６が十分に活性化した状態であったとしても、機関２０の運転をストイキ燃焼運転とリーン燃焼運転との間で切り替える際、機関の空燃比が「第２領域ＲＡ２」に対応する空燃比となるためにＮ_２Ｏが生成されてしまう。

一方、機関２０は、アイドル運転状態のように、機関の負荷が極めて小さい場合（即ち、機関に要求されるトルクである機関要求トルクが小さい場合）にリーン燃焼運転が行われると、混合気の燃焼温度が低くなって失火する場合がある。そのため、機関２０は、機関の負荷が極めて小さい場合、ストイキ燃焼運転にて運転される。従って、例えば、車両１０が停止状態から走行を開始する場合には機関２０の負荷が極めて小さい状態から大きい状態へと変化するから、機関２０の運転はストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転へと切り替えられる。その結果、Ｎ_２Ｏが生成されてしまう。或いは、機関２０が減速される場合には負荷（機関要求トルク）が減少するから、機関２０の運転はリーン燃焼運転からストイキ燃焼運転へと切り替えられる。その結果、Ｎ_２Ｏが生成されてしまう。

図３は、機関２０の運転が、リーン燃焼運転とストイキ燃焼運転との間で切り替えられる場合のＮ_２Ｏの生成状況を示している。図３の「空燃比モード」は、機関２０の空燃比制御の目標値として設定される空燃比（目標空燃比）である。リーン燃焼運転中の空燃比モードはリーンモード（空燃比＝１７）であり、ストイキ燃焼運転中の空燃比モードはストイキモード（空燃比＝１４．６）である。また、空燃比モードがリッチである期間は、リッチスパイク制御を実行している期間である。リッチスパイク制御中の空燃比は１２である。

図３からも理解されるように、ストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転に切替わるとき（時刻ｔ１２及び時刻ｔ１４を参照。）において、ＳＣ触媒３６の出口におけるＮ_２Ｏの濃度は急増する。更に、リッチスパイク制御の開始時（時刻ｔ１５を参照。）においてもＳＣ触媒３６の出口におけるＮ_２Ｏ濃度が増加する。

これは、前述したように、機関２０の空燃比が、ＮＯｘの還元反応が不完全な第２領域ＲＡ２に対応する空燃比を通過するからである。なお、理由は未だ明らかではないが、リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転に切替わるとき（時刻ｔ１１及び時刻ｔ１３を参照。）、ＳＣ触媒３６の出口におけるＮ_２Ｏの濃度は殆ど増加しない。これは、リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切替え時には機関２０の空燃比が目標空燃比（即ち、理論空燃比＝１４．６）に収束する時間が極めて短いことが原因と考えられる。但し、リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切替え時に機関２０の空燃比が理論空燃比に収束するまでの時間が長ければ、ＳＣ触媒３６の出口におけるＮ_２Ｏの濃度は増加する。

このように、ＳＣ触媒３６が完全に活性化している場合であっても、機関２０の運転が、リーン燃焼運転とストイキ燃焼運転との間で切り替えられる場合にＮ_２Ｏが多量に生成される。一方、触媒温度Ｔｃａｔが相対的に低く、ＳＣ触媒３６が十分に活性化していない（完全不活性状態ではないが、完全活性状態でもない）場合、ＮＯｘの還元反応が不活発であるから、ストイキ燃焼運転が行われていてもＮ_２Ｏが生成される場合がある。この点について、図４を参照しながら説明する。

図４のグラフにおいて、横軸は機関２０の始動からの経過時間であり、縦軸は触媒温度Ｔｃａｔ（℃）である。この例においては、時刻ｔ＝０（機関２０の始動時；グラフの左端）から時刻ｔ２４までの期間において、目標空燃比が理論空燃比に設定されてストイキ燃焼運転が行われている。これは、機関２０の始動開始直後は、失火の虞があるので燃焼温度の低いリーン燃焼運転は行われないからである。その後、ＳＣ触媒３６が十分に活性化した時刻ｔ２４以降において目標空燃比がリーン空燃比（例えば、１７）に変更されてリーン燃焼運転が行われている。

図４に破線により囲まれた領域ＲＴ１（以下、「第１温度領域」とも称呼される。）において、ＳＣ触媒３６は全く活性化していない。よって、この第１温度領域ＲＴ１においてはＮＯｘの還元反応は起こらず、従って、Ｎ_２Ｏは生成されない。以下、ＳＣ触媒３６が全く活性化しない温度を「不活性化温度」と称呼する。

図４に破線により囲まれた領域ＲＴ２（以下、「第２温度領域」とも称呼される。）の温度範囲はＳＣ触媒３６の不活性化温度よりも高く活性化温度Ｔｏｐよりも低い。この温度範囲の温度はライトオフ温度とも称呼される場合がある。この第２温度領域ＲＴ２において、ＳＣ触媒３６は活性化が不十分な状態にある。従って、ＮＯｘの還元反応が完全に行われず（即ち、ＮＯｘがＮ_２まで還元されず）、Ｎ_２Ｏが生成される機会が増える（時刻ｔ２２を参照。）。

図４に破線により囲まれた領域ＲＴ３（以下、「第３温度領域」とも称呼される。）の温度範囲は活性化温度Ｔｏｐよりも高い。よって、第３温度領域においてＳＣ触媒３６は完全に活性化している。従って、この領域においてＮＯｘの還元反応は正常に行われるので、Ｎ_２Ｏは生成されない。

（具体的作動）
以上に説明したＮ_２Ｏが生成される状況が出来るだけ生じないように、本制御装置は以下に述べるように作動する。即ち、電子制御装置（ＥＣＵ）７０のＣＰＵは、所定時間が経過する毎に図５にフローチャートにより示したルーチンを実行するようになっている。

従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵは図５のステップ５００から処理を開始してステップ５０５に進み、図６に示した「機関回転速度ＮＥ、アクセル開度Ａｃｃｐ及び機関要求基本トルクＴｑｂｓｅ」との関係を規定するルックアップテーブルに、取得した機関回転速度ＮＥと取得したアクセル開度Ａｃｃｐとを適用することにより、機関要求基本トルクＴｑｂｓｅを取得する。このルックアップテーブルは予め実験等により定められ、電子制御装置７０のＲＯＭに格納されている。アクセル開度Ａｃｃｐは車両１０の運転者により要求されるユーザ要求トルクに相関を有するパラメータである。

次いで、ＣＰＵはステップ５１０に進み、機関要求基本トルクＴｑｂｓｅに後述するステップ５５０にて決定されるトルク増量分ΔＴｑを加えた値を求め、その値を最終的な機関要求トルクＴｑｔｇｔとして設定する。

次いで、ＣＰＵはステップ５１５に進み、機関要求トルクＴｑｔｇｔと機関回転速度ＮＥとにより決まる動作点が図７に示したリーン燃焼運転領域Ｒ１内にあるか否かを判定する。図７に示したように、リーン燃焼運転領域Ｒ１は、機関要求トルクＴｑが一定の低側トルク閾値Ｔｑｂ以上であり且つ所定の高側トルク閾値Ｔｑｃ以下、且つ、機関回転速度ＮＥが低側速度閾値ＮＥＬ以上であり且つ高側速度閾値ＮＥＨ以下、である領域である。ストイキ燃焼運転領域Ｒ２は、リーン燃焼運転領域Ｒ１以外の領域である。なお、ラインＬ１は機関２０の最大トルクを表している。また、高側トルク閾値Ｔｑｃは機関回転速度ＮＥが高くなるにつれ低下する。

動作点がリーン燃焼運転領域Ｒ１内にある場合、ＣＰＵはステップ５１５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ５２０に進み、リーン燃焼運転を行う。その後、ＣＰＵはステップ５２２に進んでトルク増量分ΔＴｑを「０」に設定し、ステップ５９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

これに対し、動作点がストイキ燃焼運転領域Ｒ２にある場合、ＣＰＵはステップ５１５にて「Ｎｏ」と判定してステップ５２５に進み、本ルーチンを前回実行したときの機関要求基本トルクＴｑｂｓｅが閾値トルクＴｑｂより大きく且つ今回の機関要求基本トルクＴｑｂｓｅ以下であるか否かを判定する。即ち、ＣＰＵは、図７の点Ｐ３から点Ｓ１のように、動作点が閾値トルクＴｑｂのラインを横切ってリーン燃焼運転領域Ｒ１からストイキ燃焼運転領域Ｒ２に遷移している状態であるか否かを判定する。

ステップ５２５の判定条件が満たされない場合、ＣＰＵはステップ５２５にて「Ｎｏ」と判定してステップ５３５に直接進んでストイキ燃焼運転を実行する。その後、ＣＰＵはステップ５３７に進んでトルク増量分ΔＴｑを「０」に設定し、ステップ５９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

一方、ステップ５２５の判定条件が満たされる場合、ＣＰＵはステップ５２５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ５３０に進み、触媒温度ＴｃａｔがＳＣ触媒３６の不活性化温度Ｔｎｏｐ（＝Ｔ１）以下であるか否かを判定する。

前述したように、触媒温度Ｔｃａｔが不活性化温度Ｔｎｏｐ（＝Ｔ１）以下である場合、機関２０の運転がリーン燃焼運転からストイキ燃焼運転に移行しても、ＳＣ触媒３６においてＮＯｘの還元反応は発生しないので、Ｎ_２Ｏは生成されない。そこで、触媒温度Ｔｃａｔが不活性化温度Ｔｎｏｐ（＝Ｔ１）以下である場合、ＣＰＵはステップ５３０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ５３５に進み、ストイキ燃焼運転を実行する。この結果、機関２０の運転はリーン燃焼運転からストイキ燃焼運転へと変更され、失火の発生が回避される。

これに対し、触媒温度Ｔｃａｔが不活性化温度Ｔｎｏｐ（＝Ｔ１）より高い場合、ＣＰＵはステップ５３０にて「Ｎｏ」と判定してステップ５４０に進み、触媒温度Ｔｃａｔが所定温度Ｔ２よりも低いか否かを判定する。所定温度Ｔ２はＳＣ触媒３６の活性化温度Ｔｏｐよりも高い温度であって、例えば、アイドリングストップ後に機関２０を再始動したときの触媒温度Ｔｃａｔが活性化温度Ｔｏｐ以上となるような温度に設定されている。

触媒温度Ｔｃａｔが所定温度Ｔ２より低い場合、ＣＰＵはステップ５４０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ５４５に進み、レギュレータ５２に指示を送信してオルタネータ５１の発電量を増大させる。次いで、ＣＰＵはステップ５５０に進み、トルク増量分ΔＴｑを「正の所定値Ａ」に設定し、ステップ５９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。この正の所定値Ａは、オルタネータ５１の発電量を増大させるために機関２０が発生すべきトルクの増加分に相当する。

この状態において、ＣＰＵが所定時間の経過後に本ルーチンを再び実行すると、ステップ５１０にて決定される機関要求トルクＴｑｔｇｔが、機関要求基本トルクＴｑｂｓｅよりも所定値Ａだけ大きい値になる。その結果、機関要求トルクＴｑｔｇｔ及び機関回転速度ＮＥにより定まる動作点はリーン燃焼運転領域Ｒ１内に留まるので、リーン燃焼運転が継続される。例えば、本来であれば動作点は図７の点Ｓ１に移行しているところ、発電量の増大を行うことにより機関要求トルクＴｑｔｇｔが所定値Ａだけ増大するので、動作点はＳ２に移行する。従って、燃焼が不安定になることがなく、且つ、リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への移行がないのでＮ_２Ｏは生成されない。

ＣＰＵがステップ５４０の処理を実行する時点において、触媒温度Ｔｃａｔが所定温度Ｔ２以上である場合、ＣＰＵはそのステップ５４０にて「Ｎｏ」と判定してステップ５６０に進み、Ｓ＆Ｓ（スタートアンドストップ、即ち、アイドリングストップ）条件が成立しているか否かを判定する。

Ｓ＆Ｓ条件は、図示しない車速センサにより検出される車両１０の速度（車速）が「０」であり、且つ、アクセルペダル操作量Ａｃｃｐが「０」であり、且つ、図示しないブレーキセンサにより検出されるブレーキ操作量が「０」より大きい（ブレーキオン）であり、且つ、図示しない冷却水温センサにより検出される冷却水温が暖機完了温度以上であるとき成立する。

Ｓ＆Ｓ条件が成立している場合、ＣＰＵはステップ５６０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ５６５に進み、機関２０を停止してステップ５９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。この場合、アクセルペダル操作量Ａｃｃｐが「０」より大きくなるか、又は、ブレーキ操作量が「０」になると、機関２０は再始動される。この再始動がなされた場合であっても、触媒温度Ｔｃａｔは活性化温度Ｔｏｐ以上であるので、Ｎ_２Ｏは生成されない。この結果、Ｎ_２Ｏの生成を抑えつつ、燃料の消費を低減することができる。

一方、Ｓ＆Ｓ条件が成立していない場合、ＣＰＵはステップ５６０にて「Ｎｏ」と判定してステップ５４５以降に進む。その結果、機関要求トルクＴｑｔｇｔ及び機関回転速度ＮＥにより定まる動作点はリーン燃焼運転領域Ｒ１内に留まるので、リーン燃焼運転が継続される。従って、燃焼が不安定になることがなく、且つ、リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への移行がないのでＮ_２Ｏは生成されない。

更に、ＣＰＵは、所定時間が経過する毎に図８にフローチャートにより示したルーチンを実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵは図８のステップ８００から処理を開始してステップ８１０に進み、先のステップ５４５の処理によって発電量を増加させているか否かを判定する。発電量が増加させられていない場合、ＣＰＵはステップ８１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ８９５に直接進み、本ルーチンを一旦終了する。

これに対し、発電量を増加させている場合、ＣＰＵはステップ８１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ８２０に進み、その時点で図６のルックアップテーブルにより決定されている機関要求基本トルクＴｑｂｓｅと機関回転速度ＮＥの組合せ（即ち、動作点）がリーン燃焼運転領域Ｒ１内にあるか否かを判定する。

動作点がリーン燃焼運転領域Ｒ１内にある場合、もはや発電量を増大させて機関要求トルクＴｑｔｇｔを増大させなくても、機関２０はリーン燃焼運転を安定して行うことができる。そこで、この場合、ＣＰＵはステップ８２０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ８３０に進み、発電量の増大を停止する。次いで、ＣＰＵはステップ８４０に進んでトルク増量分ΔＴｑの値を「０」に設定し、ステップ８９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、ＣＰＵは図５のステップ５２０に進むので、リーン燃焼運転が継続して実行される。

これに対し、動作点がリーン燃焼運転領域Ｒ１内にない場合、ＣＰＵはステップ８２０にて「Ｎｏ」と判定してステップ８９５に直接進んで本ルーチンを一旦終了する。即ち、この場合、発電量は増大され続ける。

その結果、触媒温度Ｔｃａｔが不活性化温度Ｔｎｏｐ以上である場合は、リーン燃焼運転とストイキ燃焼運転との間のモードの切替頻度を低減することができる。更に、触媒温度Ｔｃａｔが不活性化温度Ｔｎｏｐよりも低い場合は、リーン燃焼運転に代えてストイキ燃焼運転を行うことにより、触媒温度Ｔｃａｔを活性化温度Ｔｏｐまで早期に上昇させることができる。以上より、本制御装置は、Ｎ₂Ｏの生成量を低減することが可能となる。

本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。

例えば、上記実施形態において、触媒温度Ｔｃａｔは排ガス温度センサ９８により検出される排ガス温度と等しいとして取得されていたが、筒内吸入空気量及び機関回転速度ＮＥ等に基づいて推定されてもよい。

更に、上記実施形態において、ステップ５４０、ステップ５６０、ステップ５６５及びステップ５６７は省略されてもよい。この場合、ＣＰＵは、ステップ５３０にて「Ｎｏ」と判定した場合、ステップ５４５及びステップ５５０を実行すればよい。

上記実施形態の車両１０は車両１０の駆動力源として内燃機関２０のみを有する通常のガソリンエンジン車両であったが、本発明は、内燃機関及び発電電動機を車両駆動源として有するハイブリッド車両に適用することもできる。この場合、機関要求トルクを増大するために使用する機器として、オルタネータ５１に代えてハイブリッド車両が有する発電電動機（発電機）を用いてもよい。

１０…車両、２０…内燃機関、２１…エンジンアクチュエータ、３１…燃料供給系統、３６…上流側触媒（ＳＣ触媒）、３７…ＮＳＲ触媒、４１…変速機、４２…クランクシャフトプーリ、４３…オルタネータプーリ、４４…ベルト、５１…オルタネータ、５２…レギュレータ、５３…蓄電池、６０…駆動力伝達機構、７０…電子制御装置（ＥＣＵ）、９６…上流側空燃比センサ、９８…排ガス温度センサ。

Claims

車両の駆動源としての内燃機関と、
前記車両に搭載され且つ前記機関により駆動されることにより発電を行う発電機と、
前記車両に搭載され且つ前記発電機が発電する電力により充電される蓄電池と、
前記機関の排気通路に配設された三元触媒と、
を備える車両に適用され、
前記車両の運転者により要求されるユーザ要求トルクに相関を有するパラメータに基づいて前記機関に要求される機関要求トルクを決定する機関要求トルク決定手段と、
前記機関要求トルクと前記機関の回転速度とにより決まる動作点が、前記機関要求トルクが一定の低側トルク閾値以上であり且つ所定の高側トルク閾値以下、且つ、前記機関の回転速度が低側速度閾値以上であり且つ高側速度閾値以下である、リーン燃焼運転領域外にある場合に前記機関の燃焼室内に形成される混合気の空燃比を理論空燃比に設定し、前記動作点が、前記リーン燃焼運転領域内にある場合に前記混合気の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に設定する、空燃比設定手段と、
を含む制御装置を備えた車両の制御装置において、
前記制御装置は、
前記三元触媒の温度に相関を有する温度パラメータを取得するとともに、前記混合気の空燃比が前記リーン空燃比に設定されている状態から前記機関要求トルクが低下して前記低側トルク閾値以下となった場合、
前記温度パラメータにより表される前記三元触媒の温度が、前記三元触媒が全く活性化していない第１温度領域と前記三元触媒の活性化が不十分な状態にあり且つ前記第１温度領域よりも高い温度である第２温度領域との間の温度である不活性化温度より高いときには、前記発電機の発電量を増加させることにより前記機関要求トルクを前記低側トルク閾値以上に変更して、前記混合気の空燃比を前記リーン空燃比に維持しながら前記機関の運転を行い、
前記温度パラメータにより表される前記三元触媒の温度が、前記不活性化温度以下であるときには、前記混合気の空燃比を理論空燃比に設定して前記機関の運転を行うように構成された、
車両の制御装置。