JP3463616B2 - ハイブリッド車用内燃機関の制御装置 - Google Patents

ハイブリッド車用内燃機関の制御装置

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JP3463616B2
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combustion
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  • Hybrid Electric Vehicles (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • Control Of Vehicle Engines Or Engines For Specific Uses (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、排気浄化用触媒を
有する筒内噴射内燃機関と電動モータとをそなえた所謂
ハイブリッド車における内燃機関の制御装置に関する。 【0002】 【従来の技術】従来より、ガソリンエンジン等の内燃機
関(以下、エンジンという)の排気通路には、排気浄化
用触媒(以下、単に触媒という)が設けられている。こ
の触媒は、一般的に所定の活性温度領域まで温度が上昇
しないと十分な排気浄化機能を発揮することができない
ため、特に、エンジンの冷態始動時などには、如何に触
媒を早期に活性温度領域まで昇温させるかが課題であっ
た。 【0003】そこで、例えば、特開平10−15313
8号公報には、エンジンの気筒内に直接燃料を噴射し火
花点火により燃焼を行なわせる筒内噴射内燃機関(筒内
噴射ガソリンエンジン)において、エンジントルクを発
生させる主燃焼のための燃料噴射(アイドル時では、通
常、圧縮行程時にこの燃料噴射を行なう)とは別に、エ
ンジントルクに寄与しない膨張行程中に追加燃料を噴射
(以下、膨張行程噴射とも言う)することにより、触媒
ヒータ等を設置せずに触媒を早期に活性化させるように
した技術が開示されている。この技術では、追加燃料が
主燃焼の火炎伝播により着火され主燃焼に寄与しなかっ
た余剰の空気を利用して燃焼し、これにより発生した高
温の燃焼ガスが機関の出力に寄与することなく触媒に供
給されるため、触媒を早期に活性温度領域まで昇温でき
る。このように主燃焼とともに膨張行程中に追加燃料を
噴射し燃焼(追加燃焼)させることを二段燃焼という。 【0004】なお、触媒の昇温が最も要求されるのはエ
ンジンの冷態始動時である。筒内噴射エンジンの場合、
始動時には吸気行程噴射による予混合燃焼によって確実
な始動を行ない、始動完了後のアイドル時には、圧縮行
程噴射による層状燃焼に切り換えて燃費の節約を図って
いる。冷態始動時には、この圧縮行程噴射による主燃焼
に加えて膨張行程噴射による追加燃焼を行なって二段燃
焼を実行することになる。なお、圧縮行程噴射による主
燃焼では空燃比を極めてリーンにするので燃費節約効果
があるが、これに加えて多量の余剰空気が発生するので
多量の燃料を膨張行程噴射してもこれを燃焼させること
ができ触媒昇温効果も高くなる。 【0005】このような技術を、オートマチックトラン
スミッション(AT)を装備した自動車(以下、AT車
と言う)に適用すると、例えば、図4に示すような触媒
の昇温効果が得られる。図4に示すように、エンジンが
始動して、エンジン回転数(回転速度)Neが上昇した
ら、圧縮行程噴射に切り換えるが、この時、圧縮行程時
とは別に膨張行程時にもインジェクタにパルス信号が出
力され、この信号のパルス幅に応じてインジェクタから
筒内に追加燃料が噴射される。これにより、所定時間、
二段燃焼が行なわれて、触媒が早期に活性化される。 【0006】なお、図4に示すように、ATのシフトポ
ジションが、ドライブ位置(Dレンジ)にある場合より
も、ニュートラル位置(Nレンジ)にある場合のほう
が、二段燃焼によって速やかに触媒温度を上昇させるこ
とができる。つまり、追加燃焼は主燃焼の余剰空気を利
用して行なうもので、二段燃焼時のトータル空燃比(A
/F)は図4に示すように理論空燃比近傍に制限される
ため、吸気量が一定なら主燃焼にかかるA/Fがリーン
なほど追加燃料を増量して効率よく触媒を昇温できる。
主燃焼が圧縮行程噴射による層状燃焼の場合、エンジン
の負荷状態に応じて燃料量を調整するが、確実に層状燃
焼を行なうために吸気量はあまり変化させないので、D
レンジに比べて負荷の小さいNレンジでは主燃焼のため
の圧縮噴射A/Fをリーンにでき、その分だけ追加燃焼
のための膨張行程噴射量(パルス幅)を増量して効率よ
く触媒を昇温できるのである。 【0007】しかし、AT車のNレンジの場合も、エン
ジン内部の負荷に加えてトルクコンバータ等も負荷とな
るので、マニュアルトランスミッション(MT)をそな
えた車両(MT車)のニュートラル状態のようにエンジ
ン内部の負荷のみの場合に比べるとエンジン負荷は大き
く、この分だけ触媒昇温効果は低くなる。 【0008】 【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、電動
モータ(以下、単にモータという)だけでなくエンジン
によっても車両を駆動しうるパラレル式ハイブリッド電
気自動車(以下、単にハイブリッド車という)が開発さ
れている。このハイブリッド車の駆動系には、例えば、
エンジンの出力軸と駆動輪側の入力軸との間にモータの
回転軸を介装し、エンジン出力軸とモータ回転軸との間
にクラッチを、モータ回転軸と駆動輪側の入力軸との間
にトランスミッションをそれぞれ介装したものがある。 【0009】こうしたパラレル式のハイブリッド車のエ
ンジンに、筒内噴射内燃機関を適用することが考えられ
る。この場合、エンジン出力軸とモータ回転軸との間の
クラッチを切り離せば、エンジン負荷はエンジン内部の
負荷のみとなるので、二段燃焼時の追加燃焼を促進する
ことができ触媒昇温効果を高めることができる。しか
し、近年、環境問題が益々重要視される中で、冷態始動
時において触媒をより早期に活性化させ、触媒による排
気浄化をさらに促進することが望まれている。 【0010】本発明は、このような要望に応えるべく創
案されたもので、二段燃焼による触媒昇温効果を向上さ
せ、冷態始動直後の排気浄化を促進できるようにした、
ハイブリッド車用内燃機関の制御装置を提供することを
目的とする。 【0011】 【課題を解決するための手段】このため、本発明のハイ
ブリッド車用内燃機関の制御装置では、冷態始動時には
圧縮行程と膨張行程とでそれぞれ燃料噴射を行なう二段
燃焼運転モードが実行され、同時に電動モータ制御手段
の制御により電動モータを作動させ内燃機関の回動をア
シストする。よって、内燃機関の負荷が低減され、この
分、圧縮行程での空燃比をリーンとして主燃焼に寄与し
ない余剰空気を増やすことができ、この余剰空気を使用
して、膨張行程でより多くの燃料を噴射して燃焼させ、
より多量の熱エネルギにより排気浄化用触媒を速やかに
昇温させることができる。 【0012】 【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図1〜図3は本発明の一実
施形態としてのハイブリッド車用内燃機関の制御装置に
ついて示す図であり、図1は本発明が適用されたハイブ
リッド車の構成を示すものである。図1に示すように、
本ハイブリッド車は、駆動輪(走行用車輪)12a,1
2bを駆動する駆動源として、エンジン(内燃機関)1
及び電動モータ(以下、単にモータという)2をそなえ
ており、これらの駆動源は、トランスミッション3を介
して各駆動軸11a,11bに連結されたデフ4に接続
されている。また、エンジン1とモータ2との間にはエ
ンジンクラッチ(以下、単にクラッチともいう)5が、
トランスミッション3とデフ4との間には発進クラッチ
(以下、単にクラッチともいう)6がそれぞれそなえら
れている。 【0013】エンジンクラッチ5は、走行モードに応じ
て、エンジン1の出力軸10aとモータ2の出力軸10
bとの間の断接を行なうようになっており、例えば、エ
ンジン1の出力のみによる走行、又は、エンジン1の出
力とモータ2の出力とによる走行を行なう場合には、エ
ンジンクラッチ5を接続してエンジン1の出力をトラン
スミッション3まで伝達するようになっている。一方、
モータ2の出力のみにより走行する場合には、エンジン
クラッチ5を解放してエンジン1を停止し、燃費の向上
を図るとともにエンジン1がモータ2の負荷とならない
ようにして走行負荷を軽減するようになっている。ま
た、エンジン1の始動時には、エンジンクラッチ5を接
続して、モータ2をスタータモータとして利用する。 【0014】また、発進クラッチ6は、トランスミッシ
ョン3の出力軸10cとデフ4の入力軸10dとの間の
断接を行ない、エンジン1による発進時や停車中の図示
しない走行用バッテリの充電時に用いられる。エンジン
1による発進時には、発進クラッチ6を解放状態から徐
々に接続していく(これを発進クラッチスリップ制御と
いう)ことによって滑らかに発進できるようになってい
る。また、停車中に走行用バッテリの充電をする場合
は、発進クラッチ6を解放してデフ4以後の駆動系を切
り離し、エンジン1でモータ2を駆動して発電するよう
になっている。 【0015】本ハイブリッド車では、エンジン1やモー
タ2の運転制御及びクラッチ5,6の断接制御をECU
(制御装置)20により行なうようになっている。EC
U20では、車両の走行状態に応じて適宜の走行モード
を選択し、この走行モードに応じてエンジン1,モータ
2,クラッチ5,6を制御するようになっている。例え
ば、加速時等のように大出力が必要とされる場合には、
エンジン1のみ又はエンジン1とモータ2との併用によ
り走行するモードを選択する。一方、定常走行時のよう
に低負荷の場合には、主としてモータ2により走行する
モードを選択する。この場合には、エンジン1を停止
し、エンジン1がモータ2の負荷とならないようにエン
ジンクラッチ5を解放して、モータ2のみを運転する。 【0016】ところで、エンジン1は、気筒内に直接燃
料を噴射し火花点火により燃焼させる筒内噴射内燃機関
(筒内噴射ガソリンエンジン)として構成され、エンジ
ン1の排気通路7には排気浄化用触媒(以下、単に触媒
という)8が介装され、エンジン1の冷態始動時には、
触媒8を早期活性化すべく二段燃焼運転モード(以下、
二段燃焼モードという)を実行するようになっている。 【0017】二段燃焼モードでは、従来技術と同様に、
エンジントルクを発生させる主燃焼のための燃料噴射
(エンジン始動時には、前述のとおり圧縮行程噴射)と
は別に、膨張行程中に筒内に追加燃料を噴射するように
なっている。そして、この追加燃料が、主燃焼の火炎伝
播により着火され、これにより高温の燃焼ガスが触媒に
供給されて、触媒を早期に活性温度領域まで昇温できる
ようになっている。 【0018】この二段燃焼では、膨張行程中に噴射する
追加燃料量が多いほど、排気を通じてより多量の熱エネ
ルギを触媒8に供給することができ、触媒の早期活性化
を促進することができる。追加燃焼は、主燃焼に寄与し
なかった余剰の空気を利用して行なわれるため、圧縮行
程噴射による層状燃焼時のように吸気量を大幅増量でき
ない場合、主燃焼のための燃料噴射のA/Fがリーンで
あるほど、追加燃料の噴射量を多くして高い触媒昇温効
果を得ることができる。しかし、主燃焼にかかるA/F
をリーンにするにはエンジン負荷を小さくすることが必
要になる。 【0019】そこで、本装置では、エンジン1の冷態始
動時(始動完了後のアイドル時)に、モータ2を作動さ
せてエンジン1の回動をアシストして(これをアシスト
駆動という)エンジン負荷を減少させ、これにより、従
来よりも、主燃焼にかかる圧縮行程噴射のA/Fをリー
ンにして追加燃料の噴射量を増加させ、触媒の早期活性
化を行なえるようしている。このため、ECU20にそ
なえられた電動モータ制御手段21では、モータ2の作
動を制御してアシスト駆動を行なわせるようになってい
る。なお、二段燃焼は車両の停止時に行なわれ、この
時、発進クラッチ6は、エンジン1に掛かる負荷を減ら
すべく切断される。 【0020】本装置では、エンジンの冷態始動時の始動
完了後のアイドル時であることを条件に、モータアシス
トを用いた二段燃焼を行なう。このため、本ハイブリッ
ド車には、エンジンの冷却水温(以下、単に水温とい
う)TW を検出する冷却水温センサ(以下、単に水温セ
ンサという)31,アイドル信号Pを出力するアイドル
スイッチ32,クランクシャフト(図示略)に設けられ
クランク角信号θcrを出力するクランク角センサ3
3,イグニッションオン信号及び始動指令信号(スター
タオン信号)Sを出力するイグニションスイッチ34等
の種々のセンサが設けられており、各センサからの検出
信号はECU20へ送られるようになっている。なお、
ECU20では、クランク角センサ33により検出され
たクランク角信号θcrに基づいてエンジン回転数Ne
を算出するようになっている。 【0021】エンジン1が冷態か否かは水温センサ31
からの信号に基づき判定され、始動操作(クランキン
グ)の完了は始動指令信号Sの出力時にエンジン回転数
Neが所定値に達したことで判定される。冷態始動時に
は通常の吸気行程噴射による予混合燃焼により燃焼を開
始して、始動が完了したら、モータ2の作動を停止し
て、以後、アイドルスイッチ32からアイドル信号Pが
出力されてエンジンが無負荷状態にある場合には、EC
U20からの制御指令を受けて、圧縮行程噴射による層
状燃焼へと切り換えられる。これと同時に膨張行程中に
追加燃料を噴射して二段燃焼を所定期間行ない、同時
に、電動モータ制御手段21からの制御指令によりモー
タ2を作動させてアシスト駆動を行なうようになってい
る。 【0022】ここで、水温センサ31で検出された水温
W が所定水温TW0よりも低い場合には、エンジン1は
冷態状態にあると判定される。また、スタータ作動指令
が出力され、且つ、エンジン回転数Neが始動モード離
脱回転数Ne0 よりも大きい場合には、クランキングは
完了したと判定されるようになっている。以下、クラン
キング中のエンジンモードを始動モードといい、クラン
キング完了後のエンジンモードを通常モードという。 【0023】なお、二段燃焼時の圧縮行程噴射のA/F
及び膨張行程噴射のA/Fは、それぞれECU20に予
め記憶された第1の水温マップ,第2の水温マップに従
い水温TW に応じて決定され、水温TW が低いほどエン
ジン1内のフリクションによる負荷が大きくなり、主燃
焼にかかるA/Fをリッチにする必要があるが、後述の
ように水温TW が低いほどモータ2のアシストトルクが
増加されるので、ここでは、水温TW が低くても主燃焼
のためのA/Fを比較的リーンにできる。したがって、
膨張行程噴射のA/Fを比較的リッチに設定するように
なっている。なお、膨張行程燃焼でのA/Fとは、圧縮
行程で燃焼に寄与しなかった余剰の空気量Warと追加
燃料量Wf2 との比(War/Wf2 )を示す。また、
圧縮行程での吸入空気量Wa,圧縮行程での燃料噴射量
Wf1 ,膨張行程での燃料噴射量Wf2 は、燃料が過剰
とならないように、圧縮行程噴射と膨張行程噴射とのト
ータルのA/Fが所定範囲内(例えば、15〜17)と
なるように設定される。 【0024】また、二段燃焼及びモータ2によるアシス
ト駆動は所定時間(二段燃焼継続時間)t0 行なわれる
が、この所定時間t0 はECU20に予め記憶された第
3の水温マップにしたがい決定され、水温TW が低いほ
ど、所定時間t0 は長く設定されるようになっている。
また、モータ2のアシスト駆動時のモータトルク(アシ
ストトルク)TQは、ECU20に予め記憶された第4
の水温マップにしたがい、水温TW が低いほど、二段燃
焼を効果的に行なうべく大きく設定されるようになって
いる。なお、車両発進時には、アイドルスイッチ32が
オフになるので二段燃焼は終了し、アイドル発進クラッ
チ6を発進クラッチスリップ制御により緩やかに接続す
る。 【0025】本発明の一実施形態としてのハイブリッド
車用内燃機関の制御装置は上述のように構成されている
ので、例えば図2に示すように、二段燃焼が行なわれ、
まず、イグニションスイッチ34がオンとなると制御が
スタートし、ステップS10でエンジン1が始動してい
るか否かが判定され、エンジン回転数Neが0であれ
ば、エンジン1は始動していない(この状態をエンスト
モードという)として、ステップS20に進み、一方、
エンジン回転数Neが0でなければ、エンジン1は始動
モード又は通常モードにあるとしてステップS70に進
む。 【0026】ステップS20では、エンジン1が冷態状
態であるか否かが水温センサ31に検出された水温TW
に基づき判定される。水温TW が所定水温TW0よりも低
い場合には、エンジン1は冷態状態にあるため触媒8を
早期活性化すべく二段燃焼が必要であるとして、ステッ
プS30で第1の水温マップに従い圧縮行程噴射でのA
/Fが、ステップS40で第2の水温マップに従い膨張
行程噴射でのA/Fが、ステップS50で第3の水温マ
ップに従い二段燃焼継続時間(所定時間)t0が、ステ
ップS60で第4の水温マップに従いモータ2のアシス
トトルクTQが、それぞれ水温TW に応じて決定され、
ステップS70に進む。一方、ステップS20で、水温
W が所定水温TW0以上の場合には、エンジン1は冷態
状態ではなく、二段燃焼は必要ないとしてリターンす
る。 【0027】ステップS70では、通常モードフラグが
セットされているかが判定され、通常モードフラグがセ
ットされていれば、既に通常モードにあるとしてステッ
プS120に進み、通常モードフラグがセットされてい
なければ、ステップS80に進んで始動モードに入る。
ステップS80で、ECU20から、モータ2にスター
タ作動指令が出力されていれば、ステップS90で、エ
ンジンクラッチ5が接続され、モータ2によりクランキ
ングが行なわれてステップS100に進み、一方、モー
タ2にスタータ作動指令が出力されていなければリター
ンする。 【0028】ステップS100では、エンジン回転数N
eによりクランキングの完了が判定され、エンジン回転
数Neが始動モード離脱回転Ne0 よりも大きければ、
クランキングは完了したとして、通常モードフラグがセ
ットされて(ステップS110)ステップS120へ進
み、エンジン回転数Neが始動モード離脱回転Ne0
下であれば、クランキングは完了していないとしてリタ
ーンする。 【0029】ステップS120ではエンジン1が無負荷
状態にあるか否かが判定され、アイドルスイッチ32か
ら検出信号Pが出力されエンジンが無負荷状態にある場
合はステップS130に進み、一方、アイドルスイッチ
32から検出信号Pが出力されずエンジンが負荷状態に
ある場合は二段燃焼は行なわれずにリターンする。ステ
ップS130では、二段燃焼開始後の経過時間tがステ
ップS50で設定された所定時間(始動後二段燃焼継続
時間)t0 よりも大きいかが判定され、経過時間tが所
定時間t0 に達するまで、ステップS140により二段
燃焼が行なわれる。なお、二段燃焼開始後の経過時間t
は、ECU20がそなえる図示しないタイマにより演算
される。 【0030】ここで、ステップS140による二段燃焼
では、ステップS30で設定された圧縮行程噴射でのA
/F、ステップS40で設定された膨張行程噴射でのA
/Fに基づき、圧縮行程及び膨張行程で燃料噴射が行な
われ、ステップS60で設定されたアシストトルクTQ
でモータ2によりアシスト駆動が行なわれる。この冷態
始動時に行なわれるアシスト駆動付きの二段燃焼の効果
を図3を参照して説明する。図3中の実線は本実施形態
の制御を示し、一点鎖線は、従来のように、モータ2に
よりエンジン1のアシストを行なわず、単に発進クラッ
チ6を切断してトランスミッション3のシフトポジショ
ンをNレンジにして二段燃焼を行なった場合を示す。図
3に示すように、エンジンが始動し、エンジン回転数N
eが始動モード離脱回転Ne0 を超えて通常モードに入
ると、所定時間t0 、モータ2によりエンジン1にモー
タアシストトルクTQが加えられてアシスト駆動され、
同時に、膨張行程時にインジェクタへの駆動信号のパル
ス幅に応じて筒内に追加燃料が噴射されて二段燃焼が行
なわれ、図3中に実線で示すように従来に比べ触媒を速
やかに昇温させることができる。 【0031】つまり、エンジン1がアシストされるた
め、Nレンジモードのように単に発進クラッチ6を切断
した場合よりもエンジン負荷を軽減させることができ、
主燃焼をよりリーンにして余剰の空気を増加させること
で追加燃料を増加させて(即ち、膨張噴射行程でのイン
ジェクタへの出力信号のパルス幅を長くして)、さらに
高温の排気を触媒8に供給し、触媒温度を、一点鎖線の
従来例よりも、実線で示すように速やかに昇温させるこ
とができるのである。よって、従来よりも触媒8を早期
活性化して排気中の有害成分の排出を抑制できるという
利点がある。 【0032】なお、本発明は、上述の実施形態のものに
限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変
形が可能である。例えば、上述の実施形態では、二段燃
焼は、水温TW に応じて所定時間t0 だけ行なわれるよ
うになっているが、水温TWが所定温度を超えるまで行
なうようにしたり、触媒温度が活性温度領域になるまで
二段燃焼を行なうようにしてもよい。この場合、触媒8
の下流側に温度計を設けて触媒温度を検出するように構
成すればよい。 【0033】また、上述の実施形態では、停車中は、発
進クラッチ6を切断するようしているが、例えば、トラ
ンスミッション3をATで構成する場合には、停車中も
発進クラッチ6を接続して、発進クラッチ6が車両クリ
ープ分のトルクを伝達するようにしてもよい。この場
合、アシストトルクTQに車両クリープ分のトルクを加
算したトルクで、モータ2がエンジン1をアシスト駆動
するように制御することになり、モータ2の出力トルク
がより要求されることになる。 【0034】また、トランスミッション3は、ATだけ
でなく、MT等、他形式のトランスミッションを用いて
もよい。また、上述の実施形態では冷態始動時に二段燃
焼を行なっているが、冷態始動時に限らず触媒昇温が必
要なときには二段燃焼を行なうようにしてもよい。 【0035】 【発明の効果】以上詳述したように、本発明のハイブリ
ッド車用内燃機関の制御装置では、二段燃焼運転モード
を実行するときには、電動モータが筒内噴射内燃機関の
回動をアシストするので、筒内噴射内燃機関の負荷が低
減し、この分、主燃焼に寄与しない余剰空気を増やし、
この余剰空気を利用して、膨張行程でより多くの燃料を
燃焼させることができる。これにより、二段燃焼による
触媒昇温効果を向上させ、冷態始動直後の排気浄化を促
進できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の一実施形態にかかるハイブリッド車の
構成を示す模式図である。 【図2】本発明の一実施形態としてのハイブリッド車用
内燃機関の制御装置にかかる二段燃焼制御の流れを示す
フローチャートである。 【図3】本発明の一実施形態としてのハイブリッド車用
内燃機関の制御装置による排気浄化用触媒の昇温効果の
一例を示す図である。 【図4】従来の筒内噴射内燃機関の二段燃焼により得ら
れる排気浄化用触媒の昇温効果の一例を示す図である。 【符号の説明】 1 エンジン(内燃機関) 2 電動モータ 8 排気浄化用触媒 12a,12b 駆動輪(走行用車輪) 20 ECU(制御装置) 21 電動モータ制御手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI B60K 6/04 730 B60K 6/04 730 ZHV F01N 3/20 D F01N 3/20 3/24 R 3/24 3/36 B 3/36 F02D 41/02 325A F02D 41/02 325 B60K 6/04 ZHV (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F01N 3/20 F01N 3/36 B60K 6/02 - 6/04 B60L 11/00 - 11/18 F02D 29/00 - 29/06

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 走行用車輪を駆動する内燃機関と電動モ
    ータとをそなえ、 該内燃機関は、排気浄化用触媒を有する筒内噴射内燃機
    関であって、該排気浄化用触媒の昇温を促進するため
    に、少なくとも冷態始動時に圧縮行程と膨張行程とで燃
    料噴射を行なう二段燃焼運転モードを有し、 該二段燃焼運転モード時に該電動モータを作動させて該
    筒内噴射内燃機関の回動をアシストする電動モータ制御
    手段をそなえていることを特徴とする、ハイブリッド車
    用内燃機関の制御装置。
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