JP7247590B2

JP7247590B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP7247590B2
Application number: JP2019003710A
Authority: JP
Inventors: 明弘金子
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-01-11
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2023-03-29
Anticipated expiration: 2039-01-11
Also published as: JP2020112105A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の排気を浄化するために、触媒を含む排気浄化装置が用いられる。触媒に浄化機能を十分に発揮させるためには、触媒の温度を上昇させることが必要である。

例えば、特許文献１には、エンジンの点火時期を遅角させること（点火遅角）によって、排気浄化装置の触媒の暖機を行うハイブリッド車両が開示されている。

特許文献１では、触媒暖機制御中に、車両に要求される要求走行パワーが走行用バッテリの出力可能パワーを超えた場合、点火遅角を維持してエミッションを抑制するとともに、エンジン回転数を増加させて吸入空気量を増加させ、要求走行パワーに応じた駆動力を実現している。

国際公開第２０１０／０７９６０９号

点火遅角による触媒暖機を行うとともに、吸入空気量を増加させる制御を行っている場合、通常の運転状態よりも燃焼が弱くなるため、内燃機関の回転変動量が増大する。このため、内燃機関の回転変動量に基づいて失火が発生しているか否かを判定すると、内燃機関が正常であるにも関わらずに、失火が発生していると誤判定がなされる可能性がある。失火が発生していると判定されると、点火遅角による触媒暖機が中止されるため、エミッションを抑制できない恐れがある。

また、点火遅角による触媒暖機を行うとともに、吸入空気量を増加させる制御を行っている場合、排気温度及び触媒温度が通常運転時よりも高くなる。このとき、触媒が既に高温状態にあると、失火による触媒温度の上昇で、触媒が過熱され、溶損してしまう恐れがある。

そこで、本明細書開示の内燃機関の制御装置は、触媒の過熱を抑制するとともに、エミッションを抑制することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書に開示された内燃機関の制御装置は、内燃機関からの排気を浄化する触媒を、前記内燃機関における燃料の点火時期を遅角することにより暖機する触媒暖機制御を実行する触媒暖機制御部と、前記触媒暖機制御の実行中であるか否かを判断する暖機制御判定部と、前記内燃機関に要求される負荷が所定値よりも大きいか否かを判断する負荷判定部と、前記内燃機関の回転変動量が第１失火判定値よりも大きいか否かに基づいて、失火の発生を検出する失火検出部と、前記内燃機関での所定の点火回数に対する前記失火検出部により検出された失火回数が第１基準値よりも大きいか否かに基づいて、前記触媒が過熱しているか否かを判定する触媒過熱判定部と、を備え、前記触媒暖機制御中に、前記内燃機関に要求される負荷が所定値よりも大きくなった場合、前記触媒暖機制御部は、前記触媒暖機制御を中止し、前記内燃機関における燃料の点火時期を遅角することにより前記触媒を暖機するとともに、吸入空気量を増加させる制御を開始し、前記失火検出部は、前記第１失火判定値よりも大きい第２失火判定値より前記内燃機関の回転変動量が大きいか否かに基づいて、失火の発生を検出し、前記触媒過熱判定部は、前記第１基準値よりも小さい第２基準値より前記失火回数が大きいか否かに基づいて、前記触媒が過熱しているか否かを判定し、前記触媒暖機制御部は、前記触媒過熱判定部が前記触媒が過熱していると判定した場合に、前記点火時期の遅角を中止する。

本明細書開示の内燃機関の制御装置によれば、触媒の過熱を抑制するとともに、エミッションを抑制できる。

図１は、一実施形態に係る車両の構造を示す図である。図２は、一実施形態に係る車両に搭載されるエンジンの構造を示す図である。図３は、ＥＣＵが実行する処理を示すフローチャートである。図４は、失火判定値及び触媒過熱判定値の切替を示すタイムチャートである。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

図１は、本発明の実施例に係る制御装置が搭載される車両１０の構造を示す図である。車両１０は、エンジン１００および第２モータジェネレータ（ＭＧ（２））３００Ｂの少なくともいずれかの動力で走行する車両（以下、「ハイブリッド車両」ともいう）であるとともに、車両外部に設けられた電力会社の交流電源１９から供給された電力での走行が可能な車両（以下、「プラグイン車両」ともいう）である。なお、エンジン回転数（回転速度）を所望の回転数に制御可能な構成を有する車両であれば、本発明に係る制御装置が適用可能な車両は、ハイブリッド車両及びプラグイン車両に限定されない。たとえば、無段自動変速機を備えたエンジン車両にも本発明に係る制御装置を適用することが可能である。エンジン１００は、内燃機関の一例である。

車両１０は、上述のエンジン１００およびＭＧ（２）３００Ｂの他に、動力分割機構２００と、減速機１４と、走行用バッテリ３１０と、インバータ３３０と、昇圧コンバータ３２０と、を備える。

動力分割機構２００は、エンジン１００が発生する動力を出力軸２１２と第１モータジェネレータ（ＭＧ（１））３００Ａとに分配する。動力分割機構２００は、サンギヤ、ピニオンギヤ、キャリア、リングギヤとを含む遊星歯車から構成される。エンジン１００、ＭＧ（１）３００ＡおよびＭＧ（２）３００Ｂが動力分割機構２００を経由して連結されることで、エンジン１００、ＭＧ（１）３００ＡおよびＭＧ（２）３００Ｂの各回転数は、いずれか２つの回転数が決定されると残りの回転数が決まるという関係にある。この関係を利用することによって、たとえばＭＧ（２）３００Ｂの回転数が同じ値であっても、ＭＧ（１）３００Ａの回転数を制御することによって、エンジン１００の回転数（回転速度）Ｎｅを所望の回転数に制御することができる。

減速機１４は、エンジン１００、ＭＧ（１）３００Ａ、ＭＧ（２）３００Ｂで発生した動力を駆動輪１２に伝達したり、駆動輪１２の駆動をエンジン１００、ＭＧ（１）３００Ａ、及びＭＧ（２）３００Ｂに伝達したりする。

走行用バッテリ３１０は、ＭＧ（１）３００ＡおよびＭＧ（２）３００Ｂを駆動するための電力を蓄電する。インバータ３３０は、走行用バッテリ３１０の直流とＭＧ（１）３００Ａ、ＭＧ（２）３００Ｂの交流とを変換しながら電流制御を行なう。昇圧コンバータ３２０は、走行用バッテリ３１０とインバータ３３０との間で電圧変換を行なう。

また、車両１０は、エンジン１００の動作状態を制御するエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０６と、車両１０の状態に応じてＭＧ（１）３００Ａ、ＭＧ（２）３００Ｂ、インバータ３３０、および走行用バッテリ３１０の充放電状態等を制御するＭＧ＿ＥＣＵ４０２とを備える。車両１０は、さらに、エンジンＥＣＵ４０６およびＭＧ＿ＥＣＵ４０２等を相互に管理制御して、車両１０が最も効率よく運行できるようにハイブリッドシステム全体を制御するＨＶ＿ＥＣＵ４０４を備える。

また、車両１０は、電力会社の交流電源１９に接続されたパドル１５を接続するためのコネクタ１３と、コネクタ１３を経由して供給された交流電源１９からの電力を直流に変換して走行用バッテリ３１０へ出力する充電装置１１とを備える。充電装置１１は、ＨＶ＿ＥＣＵ４０４からの制御信号に応じて走行用バッテリ３１０へ出力する電力量を制御する。

図１においては、各ＥＣＵを別構成しているが、２個以上のＥＣＵを統合したＥＣＵとして構成してもよい。たとえば、図１に、点線で示すように、ＭＧ＿ＥＣＵ４０２、ＨＶ＿ＥＣＵ４０４およびエンジンＥＣＵ４０６を統合したＥＣＵ４００としてもよい。以下の説明においては、ＭＧ＿ＥＣＵ４０２、ＨＶ＿ＥＣＵ４０４およびエンジンＥＣＵ４０６を区別することなくＥＣＵ４００と記載する。なお、ＥＣＵ４００は、触媒暖機制御部、暖機制御判定部、負荷判定部、失火検出部、及び触媒過熱判定部の一例である。

ＥＣＵ４００には、車速センサ、アクセル開度センサ、スロットル開度センサ、ＭＧ（１）回転数センサ、ＭＧ（２）回転数センサ、エンジン回転数センサ（いずれも図示せず）、および走行用バッテリ３１０の状態（バッテリ電圧値ＶＢ、バッテリ電流値ＩＢ、バッテリ温度ＴＢなど）を監視する監視ユニット３４０からの信号が入力されている。

図２を参照して、エンジン１００およびエンジン１００に関連する周辺機器について説明する。このエンジン１００においては、不図示のエアクリーナ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）により、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、ＥＣＵ４００からの信号に基づいて作動する不図示のスロットルモータにより制御される。

燃料は、フューエルタンク（図示せず）に貯蔵され、フューエルポンプ（図示せず）によりインジェクタ１０４から吸気ポート内に噴射される。なお、インジェクタ１０４に代えて、またはインジェクタ１０４とともに、燃焼室１０２内に燃料を噴射する筒内インジェクタが設けられていてもよい。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、ＥＣＵ４００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ガスは、排気管１２０の途中に設けられた触媒１４０を通って、大気に排出される。

触媒１４０は、排気ガス中に含まれるエミッション（炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）などの有害物質）を浄化処理する三元触媒である。触媒１４０には、アルミナをベースとし、白金、パラジウム、ロジウムを加えた貴金属が担持されており、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。触媒１４０は、その温度が低いほど排気浄化能力が低くなる特性を有する。

ＥＣＵ４００には、エンジン水温センサ１０８、エアフロメータ１１６、吸入空気温センサ１１８、空燃比センサ１２２、および酸素センサ１２４からの信号が入力されている。また、ＥＣＵ４００には、エンジン１００のクランク軸１１１の近傍に設けられた、クランク軸１１１の回転角度（クランク角）を検出するためのクランク角センサ１０９からの信号が入力されている。エンジン水温センサ１０８は、エンジン冷却水の温度（エンジン水温）ＴＷ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。吸入空気温センサ１１８は、吸入空気の温度（吸入空気温）ＴＡを検出する。空燃比センサ１２２は、排気ガス中の空気と燃料との比率を検出する。酸素センサ１２４は、排気ガス中の酸素濃度を検出する。これらの各センサは、検出結果を表わす信号をＥＣＵ４００に送信する。

ＥＣＵ４００は、各センサから送られてきた信号、ＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、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バルブ１１４の作動量を制御したり、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。

より具体的には、ＥＣＵ４００は、アクセル開度と車速とに基づいて車両１０から出力すべき車両要求パワーを設定し、車両要求パワーに基づいて、走行用バッテリ３１０から出力すべきバッテリ要求パワーと、エンジン１００から出力すべきエンジン要求パワーとを設定する。そして、ＥＣＵ４００は、設定されたエンジン要求パワーに基づいて、エンジン１００における燃料噴射制御や点火制御を実行する。

また、ＥＣＵ４００は、例えば、エンジン１００が始動された場合において、エンジン水温ＴＷが所定の閾値Ｔ１よりも低く、かつ、触媒温度ＴＣが所定の閾値Ｔ２よりも低い場合、エンジン１００の点火時期を遅角して触媒１４０を暖機する触媒暖機制御を実行する。ＥＣＵ４００は、触媒温度ＴＣを、エンジン水温ＴＷ、吸入空気量Ｇａの積算値、エンジン回転数Ｎｅなどのパラメータに基づいて推定する。

また、ＥＣＵ４００は、触媒暖機制御中に、エンジン１００に要求される負荷が所定値よりも大きい場合、エンジン回転数を増加させることにより吸入空気量を増やしてエンジン１００の出力を確保するとともに、ＰＭ（Particulate Matter）粒子数（Particle Number）を低減するためにエンジン１００の点火時期を遅角（点火遅角）して触媒１４０を暖機するＰＮ低減制御を実行する。

また、ＥＣＵ４００は、エンジン１００の回転変動量が失火判定値よりも大きいか否かに基づいて、失火が発生しているか否かを判定する失火判定を行う。また、ＥＣＵ４００は、エンジン１００での所定の点火回数に対する失火回数が触媒過熱判定値よりも大きいか否かに基づいて、触媒１４０が過熱しているか否かを判定する触媒過熱判定を行う。

ＥＣＵ４００が実行する処理の詳細について、図３のフローチャートを参照して説明する。図３の処理は、予め定められたサイクルタイムで繰り返し実行される。

図３の処理では、まず、ＥＣＵ４００は、エンジン１００が運転中か否かを判断する（ステップＳ１１）。エンジン１００が運転中ではない場合（ステップＳ１１／ＮＯ）、ＥＣＵ４００は、図３の処理を終了する。

一方、エンジン１００が運転中の場合（ステップＳ１１／ＹＥＳ）、ＥＣＵ４００は、触媒暖機制御を実行中か否か判断する（ステップＳ１３）。触媒暖機制御実行中か否かは、触媒暖機制御実行フラグを参照して判定される。触媒暖機制御実行フラグがＯＮの場合には触媒暖機制御が実行中であることを意味し、ＯＦＦの場合には触媒暖機制御が実行されていないことを意味する。

触媒暖機制御を実行していない場合（ステップＳ１３／ＮＯ）、ＥＣＵ４００は、判定値Ｄ１を失火判定値として設定するとともに（ステップＳ３１）、判定値Ｄ３を触媒過熱判定値として設定する（ステップＳ３３）。

その後、ＥＣＵ４００は、判定値Ｄ１を用いて失火判定を行う（ステップＳ３５）。具体的には、エンジン１００の回転変動量が、判定値Ｄ１よりも大きい場合に、失火が発生しているとして、失火回数を表す失火カウンタをカウントアップし、エンジン１００の回転変動量が判定値Ｄ１以下の場合、失火カウンタを現在値で維持する。

また、ＥＣＵ４００は、判定値Ｄ３を用いて、触媒１４０が過熱しているか否かを判定する（ステップＳ３７）。例えば、ＥＣＵ４００は、エンジン１００での所定の点火回数に対する失火回数（失火カウンタ）が判定値Ｄ３よりも大きい場合に、触媒１４０が過熱していると判定する。

一方、触媒暖機制御を実行中の場合（ステップＳ１３／ＹＥＳ）、ＥＣＵ４００は、エンジン負荷応答要求があるか否かを判断する（ステップＳ１５）。具体的には、ＥＣＵ４００は、エンジン１００に要求される負荷が所定値よりも大きいか否か、すなわち、エンジン要求パワーが所定値よりも大きいか否かを判断する。例えば、ＥＣＵ４００は、車両要求パワーが走行用バッテリ３１０の出力可能パワーを超えた場合、エンジン負荷応答要求があると判断する。エンジン負荷応答要求がない場合（ステップＳ１５／ＮＯ）、ＥＣＵ４００は、前述したステップＳ３１～Ｓ３７の処理を実行し、図３の処理を終了する。

一方、エンジン負荷応答要求がある場合（ステップＳ１５／ＹＥＳ）、ＥＣＵ４００は、ＰＮ低減制御を開始する（ステップＳ１６）。

ＰＮ低減制御を開始すると、ＥＣＵ４００は、判定値Ｄ１よりも大きい判定値Ｄ２を失火判定値として設定する（ステップＳ１７）。ＰＮ低減制御中は、通常運転時と比較して燃焼が弱くなるため、回転変動量が増大する。したがって、失火判定値として判定値Ｄ１を用いた場合、エンジン１００が正常であるにも関わらず、回転変動量が判定値Ｄ１を超えているために、失火していると判定される。失火判定値を判定値Ｄ１よりも大きい判定値Ｄ２とすることにより、ＰＮ低減制御の実行中に、エンジン１００が正常であるにも関わらず、失火していると誤判定されることを抑制することができる。

また、ＥＣＵ４００は、判定値Ｄ３よりも小さい判定値Ｄ４を触媒過熱判定値に設定する（ステップＳ１９）。ＰＮ低減制御中は、排気温度及び触媒温度が通常運転時よりも高くなる。そこで、判定値Ｄ３よりも小さい判定値Ｄ４を用いて、早期に失火兆候を検出し、触媒の過熱による溶損を抑制する。

その後、ＥＣＵ４００は、判定値Ｄ２を用いて失火判定を行い（ステップＳ２１）、判定値Ｄ４を用いて触媒過熱判定を行う（ステップＳ２３）。

ＥＣＵ４００は、触媒が過熱していると判定した場合（ステップＳ２５／ＹＥＳ）、すなわち、判定値Ｄ２を用いて検出した失火回数が、判定値Ｄ４よりも大きい場合、ＰＮ低減制御を中止する（ステップＳ２７）。より具体的には、ＥＣＵ４００は、点火遅角を禁止する。これにより、触媒の過熱による溶損を抑制できる。一方、触媒が過熱していないと判定した場合（ステップＳ２５／ＮＯ）、図３の処理を終了する。

図４は、失火判定値及び触媒過熱判定値の切替を示すタイムチャートの一例である。図４には、触媒暖機制御実行フラグ、ＰＮ低減制御実行フラグ、エンジン回転数、エンジン出力、点火時期、吸入空気量、失火判定値、回転変動量、触媒過熱判定値、及び失火カウンタを示している。

時刻ｔ１に触媒暖機制御実行フラグがＯＦＦからＯＮに切り替えられると、触媒暖機制御が実行され、点火時期が遅角される。時刻ｔ２に、エンジン負荷応答要求があると、触媒暖機制御実行フラグはＯＦＦされ、ＰＮ低減制御実行フラグがＯＮされる。ＰＮ低減制御実行フラグがＯＮされると、ＥＣＵ４００は、点火時期を遅角させたまま、エンジン回転数を上昇させ、吸入空気量を増加させる。また、失火判定値を判定値Ｄ１から判定値Ｄ２に変更し、触媒過熱判定値を判定値Ｄ３から判定値Ｄ４に変更する。ＰＮ低減制御を実行すると、エンジン１００の回転変動量が増加するため、そのまま判定値Ｄ１を用いると、エンジン１００が正常であるにも関わらず、失火が発生しているとの誤判定が生じるおそれがある。失火判定値を判定値Ｄ１よりも大きな判定値Ｄ２とすることで、このような誤判定を抑制できる。また、ＰＮ低減制御中は、排気温度及び触媒温度が通常運転時よりも高くなる。そこで、判定値Ｄ３よりも小さい判定値Ｄ４を用いて、早期に失火兆候を検出することで、触媒の過熱による溶損を抑制できる。なお、判定値Ｄ１及びＤ２はそれぞれ、第１失火判定値及び第２失火判定値の一例であり、判定値Ｄ３及びＤ４はそれぞれ、第１基準値及び第２基準値の一例である。

失火カウンタの値が判定値Ｄ４を超えた場合（時刻ｔ３）、ＥＣＵ４００は、ＰＮ低減制御の実行を中止するため、点火時期の遅角が中止される。時刻ｔ４において、触媒暖機制御の実行条件が満たされると、ＥＣＵ４００は、再び、触媒暖機制御を開始し、点火時期を遅角させる。

以上、詳細に説明したように、本実施形態に係るＥＣＵ４００は、エンジン１００からの排気を浄化する触媒１４０を、エンジン１００における燃料の点火時期を遅角することにより暖機する触媒暖機制御を実行する。また、ＥＣＵ４００は、エンジン１００の回転変動量が失火判定値Ｄ１よりも大きいか否かに基づいて、失火の発生を判定し、エンジン１００の所定の点火回数に対して検出された失火回数が触媒過熱判定値Ｄ３よりも大きいか否かに基づいて、触媒１４０が過熱しているか否かを判定する。ＥＣＵ４００は、触媒暖機制御中であり、かつ、エンジン１００に要求される負荷が所定値よりも大きい場合、失火判定値Ｄ１よりも大きい失火判定値Ｄ２よりエンジン１００の回転変動量が大きいか否かに基づいて、失火の発生を判定し、触媒過熱判定値Ｄ３よりも小さい触媒過熱判定値Ｄ４より失火回数が大きいか否かに基づいて、触媒１４０が過熱しているか否かを判定し、触媒１４０が過熱していると判定した場合に、点火時期の遅角を中止する。これにより、触媒１４０が過熱により溶損する可能性を低減できるとともに、ＰＮを低減させることができる。

上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１０車両
１００エンジン
１４０触媒
４００ＥＣＵ

Claims

内燃機関からの排気を浄化する触媒を、前記内燃機関における燃料の点火時期を遅角することにより暖機する触媒暖機制御を実行する触媒暖機制御部と、
前記触媒暖機制御の実行中であるか否かを判断する暖機制御判定部と、
前記内燃機関に要求される負荷が所定値よりも大きいか否かを判断する負荷判定部と、
前記内燃機関の回転変動量が第１失火判定値よりも大きいか否かに基づいて、失火の発生を検出する失火検出部と、
前記内燃機関での所定の点火回数に対する前記失火検出部により検出された失火回数が第１基準値よりも大きいか否かに基づいて、前記触媒が過熱しているか否かを判定する触媒過熱判定部と、を備え、
前記触媒暖機制御中に、前記内燃機関に要求される負荷が所定値よりも大きくなった場合、
前記触媒暖機制御部は、前記触媒暖機制御を中止し、前記内燃機関における燃料の点火時期を遅角することにより前記触媒を暖機するとともに、吸入空気量を増加させる制御を開始し、
前記失火検出部は、前記第１失火判定値よりも大きい第２失火判定値より前記内燃機関の回転変動量が大きいか否かに基づいて、失火の発生を検出し、
前記触媒過熱判定部は、前記第１基準値よりも小さい第２基準値より前記失火回数が大きいか否かに基づいて、前記触媒が過熱しているか否かを判定し、
前記触媒暖機制御部は、前記触媒過熱判定部が前記触媒が過熱していると判定した場合に、前記点火時期の遅角を中止する、
内燃機関の制御装置。