JP7173301B2

JP7173301B2 - 内燃機関の制御方法および制御装置

Info

Publication number: JP7173301B2
Application number: JP2021513014A
Authority: JP
Inventors: 容康木村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2022-11-16
Anticipated expiration: 2039-04-12
Also published as: JPWO2020208391A1; WO2020208391A1

Description

本発明は、ハイブリッド車両において、ターボチャージャのコンプレッサが可変容量である内燃機関の制御方法および制御装置に関する。

特許文献１には、走行用駆動源として内燃機関および電動機を有したハイブリッド車両が開示されている。このハイブリッド車両では、内燃機関をモータリングするための所定の条件が成立したときに、電動機は、内燃機関の運転時に目標となる回転数である目標回転数まで内燃機関をモータリングしている。

特許文献２は、吸気系と排気系との間に配置され、容量を変更可能な可変容量コンプレッサが吸気系に設けられたターボチャージャを開示している。なお、特許文献２は、内燃機関のモータリング時に可変容量コンプレッサを制御することは開示していない。

特許文献１のように内燃機関のモータリングを実施すると、排気系に設けられた排気触媒に、吸気が大量に流入し、該吸気中の酸素が排気触媒に蓄積する。このため、内燃機関の運転直後の触媒性能が低下し、排気触媒の温度も低下することから、排気組成が一時的に悪化する虞があった。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、内燃機関の運転直後における排気組成の一時的な悪化を抑制することが可能な内燃機関の制御方法および制御装置を提供するものである。

特開２０１３－２０３３２４号公報特開２００６－１１２３２３号公報

本発明は、ハイブリッド車両において、ターボチャージャのコンプレッサが可変容量である内燃機関の制御方法に関し、始動要求があったときに、発電用モータジェネレータによって内燃機関を目標回転数までモータリングし、該モータリング中に、可変容量コンプレッサの下流側に位置する流量制御手段によって、吸気系から排気系へと通流する吸気の量を減少補正し、可変容量コンプレッサを小容量に制御する。

本発明によれば、内燃機関のモータリング中に吸気中の酸素が排気触媒に蓄積し難くなり、内燃機関の運転直後における排気組成の一時的な悪化を抑制することができる。

一実施例のシリーズハイブリッド車両の構成説明図である。内燃機関の構成説明図である。一実施例の可変容量コンプレッサの容量のフィードバック制御を示すタイムチャートである。一実施例の可変容量コンプレッサの容量のフィードバック制御を示す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一実施例について説明する。

図１は、一実施例のシリーズハイブリッド車両１の構成を概略的に示している。このシリーズハイブリッド車両１は、主に発電機として動作する発電用モータジェネレータ２と、この発電用モータジェネレータ２を発電要求に応じて駆動する発電用内燃機関として用いられる内燃機関３と、主にモータとして動作して駆動輪４，４を駆動する走行用モータジェネレータ５と、発電した電力を一時的に蓄えるバッテリ６と、該バッテリ６とモータジェネレータ２，５との間で電力変換を行うインバータ装置７と、を備えて構成されている。発電用モータジェネレータ２は、種々のギア等を有する減速機８を介して内燃機関３に接続されている。内燃機関３が発電用モータジェネレータ２を駆動することによって得られた電力は、インバータ装置７を介してバッテリ６に蓄えられる。走行用モータジェネレータ５は、種々のギア等から構成される減速機９を介して、駆動輪４，４用の駆動シャフト１０に接続されている。走行用モータジェネレータ５は、バッテリ６の電力を用いてインバータ装置７を介して駆動制御される。走行用モータジェネレータ５の回生時の電力は、やはりインバータ装置７を介してバッテリ６に蓄えられる。なお、インバータ装置７は、発電用モータジェネレータ２用のインバータと走行用モータジェネレータ５用のインバータとを含んで構成されている。

インバータ装置７は、車両の走行を司る車両側コントローラ１１によって制御される。つまり、車両側コントローラ１１によるインバータ装置７の制御を介してモータジェネレータ２，５の動作が制御される。車両側コントローラ１１には、車両のアクセル開度や車速、ブレーキ操作量等の信号が入力され、かつバッテリ６の充電状態（いわゆるＳＯＣ）を示す信号が入力されている。なお、充電状態（ＳＯＣ）は、バッテリ６の端子電圧等に基づいて検出される。

また、内燃機関３は、エンジンコントローラ１２によって制御される。このエンジンコントローラ１２と車両側コントローラ１１とは車両内ネットワーク１３を介して接続されており、互いの信号の授受を行っている。発電用モータジェネレータ２を駆動する内燃機関３は、エンジンコントローラ１２を介して、バッテリ６の充電状態（ＳＯＣ）等を含む車両側からの発電要求に応じて運転される。つまり、車両のアクセルペダル開度や車速等に応じて車両側コントローラ１１からエンジンコントローラ１２が発電要求を受けると、その発電要求に応じて内燃機関３が制御される。なお、車両側コントローラ１１とエンジンコントローラ１２とが一つのコントローラとして統合された構成であっても良い。

図２は、内燃機関３のシステム構成を示した構成説明図である。この内燃機関３は、４つの気筒１４を有した筒内直噴型内燃機関であって、気筒１４内に燃料を噴射する図示せぬ燃料噴射弁と点火プラグ１５が気筒１４毎に設けられている。上記燃料噴射弁の噴射量および噴射時期、並びに点火プラグ１５の点火時期は、エンジンコントローラ１２からの制御信号によって制御される。各気筒１４は、図示せぬ一対の吸気弁によって開閉作動される吸気ポート１６と、図示せぬ一対の排気弁によって開閉作動される排気ポート１７とを有している。吸気弁および排気弁の開閉時期は、吸気側および排気側にそれぞれ設けられた図示せぬ可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）によって制御される。また、内燃機関３は、過給機としてターボチャージャ１８を備えている。

内燃機関３には、吸気通路１９と排気通路２０とが接続されている。

吸気ポート１６に接続される吸気通路１９には、吸入空気量を制御するスロットルバルブ２１が設けられている。このスロットルバルブ２１は、例えば電動モータ等のアクチュエータを有しており、エンジンコントローラ１２からの制御信号によって、その開度が制御されている。吸気通路１９のスロットルバルブ２１よりも上流側には、ターボチャージャ１８の可変容量コンプレッサ１８ａが介装されている。可変容量コンプレッサ１８ａには、例えば電動モータ等のアクチュエータを有した可変機構２２が設けられており、この可変機構２２の制御によって可変容量コンプレッサ１８ａの入口側の通路面積を拡大または縮小することで、可変容量コンプレッサ１８ａの容量を変更する。つまり、可変容量コンプレッサ１８ａは、可変機構２２の制御によって、トリム（可変容量コンプレッサ１８ａの入口径の２乗を可変容量コンプレッサ１８ａの外径（コンプレッサホイールの外径）の２乗で除算したもの）の大小で示される容量を変更する。可変機構２２は、エンジンコントローラ１２へ送信される後述する吸入空気量Ｑ_Ａの信号、吸気圧力Ｐ_Ａの信号や吸気温度Ｔ_Ａの信号によって制御される。

また、吸気通路１９の可変容量コンプレッサ１８ａよりも上流側には、吸入空気量Ｑ_Ａを検出するエアフロメータ（流量検出手段）２３が設けられている。エアフローメータ２３によって検出された吸入空気量Ｑ_Ａの信号は、エンジンコントローラ１２へ送信される。また、吸気通路１９の可変容量コンプレッサ１８ａよりも下流側で、かつスロットルバルブ２１よりも上流側には、可変容量コンプレッサ１８ａにより圧縮された吸入空気の吸気圧力Ｐ_Ａおよび吸気温度Ｔ_Ａを検出するＴ－ＭＡＰセンサ（圧力検出手段、温度検出手段）２４が設けられている。Ｔ－ＭＡＰセンサ２４によって検出された吸気圧力Ｐ_Ａの信号および吸気温度Ｔ_Ａの信号は、エンジンコントローラ１２へ送信される。また、吸気通路１９のスロットルバルブ２１よりも下流側には、可変容量コンプレッサ１８ａにより圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラ２５が設けられている。

排気ポート１７に接続される排気通路２０には、三元触媒からなる排気触媒２６が設けられている。排気通路２０の排気触媒２６よりも上流側には、ターボチャージャ１８のタービン１８ｂが設けられている。さらに、排気通路２０には、タービン１８ｂを迂回してタービン１８ｂの上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路２７が設けられている。排気バイパス通路２７の下流側端部は、排気触媒２６よりも上流側の位置で排気通路２０に接続されている。

排気バイパス通路２７には、タービン１８ｂへ導かれる排気量を調整する電動のウエストゲートバルブ２８が設けられている。ウエストゲートバルブ２８の開度は、エンジンコントローラ１２からの制御信号によって制御される。

排気通路２０のタービン１８ｂよりも下流側で、かつ排気触媒２６よりも上流側には、排気の空燃比を検出する空燃比センサ２９が設けられている。空燃比センサ２９によって検出された空燃比は、エンジンコントローラ１２へ送信される。

次に、図３のタイムチャートを参照して、内燃機関３の始動に際して発電用モータジェネレータ２によって所定の目標回転数まで内燃機関３のモータリングを行うときに実施される、可変容量コンプレッサ１８ａの容量のフィードバック制御を説明する。このタイムチャートは、始動要求から内燃機関３のモータリング中における、機関回転数Ｎと、スロットルバルブ（ＴＨＶ）２１の開度と、ウエストゲートバルブ（ＷＧＶ）２８の開度と、可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）による吸気弁閉時期と、可変容量コンプレッサ１８ａの下流側の吸気圧力Ｐ_Ａと、吸入空気量Ｑ_Ａと、可変容量コンプレッサ１８ａのトリムの大きさの変化を示している。なお、可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）により吸気弁閉時期を制御する代わりに、排気弁閉時期を制御しても良い。また、吸気弁閉時期および排気弁閉時期の双方を制御するようにしても良い。

時間ｔ１において、例えば充電状態（ＳＯＣ）の低下による発電要求が生じ、内燃機関３のモータリングの開始の基準となるフラグが立つと、発電用モータジェネレータ２によって所定の目標回転数へ向けて内燃機関３のモータリングを開始する。これにより、機関回転数Ｎがゼロから所定の目標回転数へ向かって増加し、吸気（新気）が吸気通路１９から排気通路２０へ通流する。そして、この吸気の通流に伴い、Ｔ－ＭＡＰセンサ２４によって検出される吸気圧力Ｐ_Ａと、エアフロメータ２３によって検出される吸入空気量Ｑ_Ａとが増加し始める。また、吸気は、排気通路２０に設けられた空燃比センサ２９を通過し、排気触媒２６に流入する。

なお、内燃機関３のモータリング中に空燃比センサ２９に流れる吸気つまり新気の状態を学習するようにしても良い。これにより、実際に学習した吸気の状態を空燃比の算出の基準とした空燃比制御が可能となり、内燃機関３の目標空燃比と実空燃比との誤差を小さくすることができる。

さらに、時間ｔ１では、モータリングの開始と実質的に同時に、可変容量コンプレッサ１８ａよりも下流側に設けられた流量制限機構（流量制限手段）、つまりスロットルバルブ２１、ウエストゲートバルブ２８および可変バルブタイミング機構の作動を開始する。より詳細には、スロットルバルブ２１の開度を小さくし、ウエストゲートバルブ２８の開度を小さくし、さらに、可変バルブタイミング機構により吸気弁閉時期を早閉じにする。これにより、排気触媒２６に流入する吸気が減少する。スロットルバルブ２１、ウエストゲートバルブ２８および可変バルブタイミング機構の作動を開始したら、可変機構２２の動作により、可変容量コンプレッサ１８ａの入口側の通路面積を狭くしてトリムをある程度小さくする。つまり、可変機構２２の動作により、可変容量コンプレッサ１８ａをある程度小さい容量に制御する。スロットルバルブ２１およびウエストゲートバルブ２８の開度および可変バルブタイミング機構による吸気弁閉時期は、所定の目標値に維持される。なお、スロットルバルブ２１、ウエストゲートバルブ２８および可変バルブタイミング機構は、吸入空気量Ｑ_Ａの制限のために必ずしも３つ全てを作動する必要はなく、スロットルバルブ２１等のうち任意の１つまたは２つを作動するようにしても良い。

次に、時間ｔ１から僅かに遅れた時間ｔ２において、吸気圧力Ｐ_Ａおよび吸入空気量Ｑ_Ａに基づいて、可変容量コンプレッサ１８ａの容量のフィードバック制御を開始する。より詳細には、吸入空気量Ｑ_Ａに対して吸気圧力Ｐ_Ａが過度に高い、つまり可変容量コンプレッサ１８ａの上流側と下流側との圧力差が過度に大きい場合には、可変容量コンプレッサ１８ａのインペラから空気流が剥離し、サージが生じる。可変容量コンプレッサ１８ａの容量のフィードバック制御では、吸入空気量Ｑ_Ａおよび吸気圧力Ｐ_Ａに基づいて、サージが生じない程度に可変容量コンプレッサ１８ａのトリムを小さくする。つまり、吸入空気量Ｑ_Ａに対して吸気圧力Ｐ_Ａが高い場合には、サージが生じない程度に可変容量コンプレッサ１８ａの容量をより小さい容量に変更する。このフィードバック制御は、例えば吸入空気量Ｑ_Ａおよび吸気圧力Ｐ_Ａと可変容量コンプレッサ１８ａのトリムとの相関関係を示す図示せぬマップを参照して可変機構２２を駆動することにより行われる。吸気圧力Ｐ_Ａおよび吸入空気量Ｑ_Ａは、例えば外乱等の要因により変動しており、このような変動が生じる毎に、可変容量コンプレッサ１８ａの容量のフィードバック制御によってトリムが変更される。また、スロットルバルブ２１等の作動に伴い可変容量コンプレッサ１８ａ下流側の吸気圧力Ｐ_Ａが上昇するから、吸気圧力Ｐ_Ａに応じて可変容量コンプレッサ１８ａの基準となるトリムを決定し、吸気圧力Ｐ_Ａが高くなるほど可変容量コンプレッサ１８ａのトリムを小さくするようにしても良い。

また、吸気圧力Ｐ_Ａや吸入空気量Ｑ_Ａを用いる代わりに、Ｔ－ＭＡＰセンサ２４によって検出される吸気温度Ｔ_Ａを用いて、可変容量コンプレッサ１８ａの容量のフィードバック制御を行うようにしても良い。この場合には、吸気温度Ｔ_Ａが高いほど、可変容量コンプレッサ１８ａのトリムを小さくする。

さらに、吸気圧力Ｐ_Ａ、吸入空気量Ｑ_Ａや吸気温度Ｔ_Ａを用いて可変容量コンプレッサ１８ａの容量のフィードバック制御を行う代わりに、スロットルバルブ２１、ウエストゲートバルブ２８および可変バルブタイミング機構の作動時に、可変容量コンプレッサ１８ａのトリムを、スロットルバルブ２１等による流量制限を行っていないときよりも小さい所定の大きさのトリムに変更しても良い。また、所定の大きさのトリムに変更する代わりに、可変容量コンプレッサ１８ａのトリムを、可変機構２２によって制御可能な最小のトリムに変更しても良い。つまり、可変容量コンプレッサ１８ａの容量を可変機構２２によって制御可能な最小の容量に変更しても良い。

そして、図３には図示していないがフィードバック制御開始後、機関回転数Ｎが目標回転数に到達した後の適宜な時期に、各気筒１４内に燃料を噴射し、かつ点火することで、内燃機関３の始動が行われる。

次に、図４のフローチャートを参照して、内燃機関３のモータリング中の可変容量コンプレッサ１８ａの容量のフィードバック制御を説明する。ステップＳ１において、エンジンコントローラ１２は、内燃機関３の始動要求があるか否かを判定する。ここで、上記始動要求としては、充電状態（ＳＯＣ）の低下や、電力負荷による発電要求等が挙げられる。この始動要求の判定は、繰り返し行われている。

ステップＳ１において始動要求がある場合には、ステップＳ２に進み、発電用モータジェネレータ２によって内燃機関３のモータリングを開始する。これにより、機関回転数Ｎがゼロから所定の目標回転数に向けて増加し、吸気が吸気通路１９から排気通路２０へ通流する。

そして、ステップＳ３において、エンジンコントローラ１２から出力された制御信号によって、スロットルバルブ（ＴＨＶ）２１、ウエストゲートバルブ（ＷＧＶ）２８および可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）を作動する。つまり、スロットルバルブ２１およびウエストゲートバルブ２８の開度を絞り、可変バルブタイミング機構により吸気弁を早閉じにする。これにより、吸気通路１９から排気通路２０へ通流する吸気の量が減少補正される。このため、可変容量コンプレッサ１８ａの下流側において、吸気圧力Ｐ_Ａが上昇する。

次に、ステップＳ４において、エンジンコントローラ１２から出力された制御信号によって、可変機構２２を動作し、可変容量コンプレッサ１８ａのトリムをある程度小さく変更する。

そして、ステップＳ５において、Ｔ－ＭＡＰセンサ２４によって吸気圧力Ｐ_Ａを検出し、エアフロメータ２３によって吸入空気量Ｑ_Ａを検出する。

吸気圧力Ｐ_Ａおよび吸入空気量Ｑ_Ａの検出後には、ステップＳ６において、吸気圧力Ｐ_Ａおよび吸入空気量Ｑ_Ａと可変容量コンプレッサ１８ａのトリムとの相関関係を示す上述のマップを参照して、可変容量コンプレッサ１８ａの容量のフィードバック制御を行う。このフィードバック制御では、吸入空気量Ｑ_Ａに対して吸気圧力Ｐ_Ａが大きくなるほど可変容量コンプレッサ１８ａのトリムを小さくする。これにより、可変容量コンプレッサ１８ａに取り込まれる吸入空気の流速が上昇するため、サージが抑制される。

上記フィードバック制御の開始後、ステップＳ７において、各気筒１４内に燃料を噴射し、空気と燃料との混合気体に点火することで、内燃機関３を始動する。

また、ステップＳ１において、始動要求が無い場合には、ステップＳ２～Ｓ７を経由せずに、フローを終了する。

上記のように、本実施例では、内燃機関３のモータリング中に、スロットルバルブ２１およびウエストゲートバルブ２８の開度が絞られ、さらに、可変バルブタイミング機構により吸気弁を閉じるタイミングが早閉じにされる。このため、吸気の流れが可変容量コンプレッサ１８ａの下流側において制限され、排気触媒２６へ流入する吸気の量が減少する。これにより、吸気中の酸素が排気触媒２６に堆積し難くなる。このため、内燃機関の運転直後の触媒性能の低下が生じ難くなり、排気触媒の温度の低下も生じ難くなる。従って、排気組成の一時的な悪化を抑制することができる。

また、本実施例では、発電用モータジェネレータ２によって所定の目標回転数まで内燃機関３をモータリングした後に、燃料噴射および点火を行い、内燃機関３を始動する。

仮に、一般的な内燃機関のように、例えばスターターモータにより内燃機関をクランキングした後に点火し燃焼を行うようにすると、内燃機関の燃焼状態が安定するまでに比較的長い時間がかかってしまう。

しかし、本実施例のように目標回転数までモータリングした状態で内燃機関３を始動することにより、短時間で内燃機関３の燃焼状態を安定させることができる。

また、本実施例では、スロットルバルブ２１等を作動して可変容量コンプレッサ１８ａの下流側の吸気の量を減少補正するときに、可変容量コンプレッサ１８ａが可変機構２２によって小さい容量に制御される。すなわち、スロットルバルブ２１等により吸気の流れを制限すると、可変容量コンプレッサ１８ａの下流側の吸気圧力Ｐ_Ａが上昇し、この結果、可変容量コンプレッサ１８ａの上流側と下流側との間の圧力差が大きくなる。これにより、可変容量コンプレッサ１８ａのインペラから空気流が剥離し、サージが生じてしまう。このサージを抑制するために、本実施例では、吸気の量の減少補正に伴って可変容量コンプレッサ１８ａの入口の通路面積を小さくすることで、可変容量コンプレッサ１８ａの上流側と下流側の圧力差を小さくする。従って、空気流の剥離による可変容量コンプレッサ１８ａのサージを抑制することができる。

Claims

可変容量コンプレッサを用いたターボチャージャを有する内燃機関によって発電用モータジェネレータを発電し、この発電による電力で走行用モータジェネレータを駆動して走行するハイブリッド車両における、内燃機関の制御方法であって、
始動要求があったときに、前記発電用モータジェネレータによって内燃機関を目標回転数までモータリングし、
前記モータリング中に、前記可変容量コンプレッサの下流側に位置する流量制限手段によって、吸気系から排気系へと通流する吸気の量を減少補正し、
前記可変容量コンプレッサを小容量に制御する、内燃機関の制御方法。
前記可変容量コンプレッサの上流側に設けられた流量検出手段によって、前記可変容量コンプレッサを通過する吸入空気量を検出し、
前記可変容量コンプレッサの下流側に設けられた圧力検出手段によって、前記可変容量コンプレッサの下流側の吸気圧力を検出し、
前記吸入空気量および前記吸気圧力に基づいて前記可変容量コンプレッサを小容量に制御する、請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
前記可変容量コンプレッサの下流側に設けられた温度検出手段によって、前記可変容量コンプレッサの下流側の吸気温度を検出し、
前記吸気温度が高いほど前記可変容量コンプレッサの容量が小さくなるように前記可変容量コンプレッサを制御する、請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
前記可変容量コンプレッサの容量を、制御可能な最小の容量に制御する、請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
前記モータリング中に、前記排気系に設けられた空燃比センサによって、前記吸気系から前記排気系へ通流する吸気の学習を行う、請求項１～４のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
内燃機関によって発電用モータジェネレータを発電し、この発電による電力で走行用モータジェネレータを駆動して走行するハイブリッド車両において、吸気系と排気系との間に配置され、容量を変更可能な可変容量コンプレッサが前記吸気系に設けられたターボチャージャと、前記容量を変更する可変機構と、前記可変容量コンプレッサの下流側に位置する流量制限機構と、を有した内燃機関の制御装置であって、
始動要求があったときに前記発電用モータジェネレータによって内燃機関を目標回転数までモータリングし、該モータリング中に、前記吸気系から前記排気系へ通流する吸気の量を前記流量制限機構によって減少補正し、前記可変容量コンプレッサを前記可変機構によって小容量に制御する、内燃機関の制御装置。