説明

内燃機関の制御装置

【課題】細分化された内燃機関の運転状態に応じて圧縮比を制御する。
【解決手段】触媒を暖機中であると(S100にてYES)、S102にて、圧縮比が、第1圧縮比CR1にされる。触媒の暖機終了後において、エンジンを暖機中であると(S110にてYES)、S112にて、圧縮比が、前述の第1圧縮比CR1よりも小さい第2圧縮比CR2にされる。エンジン100の暖機終了後は(S110にてNO)、S120にて、圧縮比が、第1圧縮比CR1および第2圧縮比CR2よりも低い圧縮比にされる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、触媒または内燃機関の暖機の実行状態に応じて圧縮比を変更する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
可変バルブタイミング機構を搭載した内燃機関が知られている。可変バルブタイミング機構によって吸気バルブの位相を進角した場合、吸気バルブが早く閉じる。そのため、圧縮行程が長くなる。その結果、圧縮比が高くなる。したがって、可変バルブタイミング機構によって内燃機関の圧縮比を変更することが可能である。
【0003】
可変バルブタイミング機構のこのような特性を利用し、特開2006−283704号公報(特許文献1)においては、第59段落において、内燃機関を容易に始動すべく、吸気バルブの位相をできる限り進角位相にしてからクランキングを行なうことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2006−283704号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、内燃機関をさらに好適に運転するには、より細分化された内燃機関の運転状態に応じて圧縮比を制御することが好ましい。
【0006】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、内燃機関をより好適に運転することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
ある実施例において、排気ガスを浄化する触媒が設けられた内燃機関の制御装置は、触媒の暖機中は触媒の暖機終了後に比べて内燃機関における圧縮比を高くするための第1の変更手段と、触媒の暖機終了後において、内燃機関の暖機中は内燃機関の暖機終了後に比べて内燃機関における圧縮比を高くするための第2の変更手段とを備える。
【0008】
この構成によると、触媒の暖機の実行状態および内燃機関の暖機の実行状態に応じて、圧縮比が変更される。触媒の暖機中は、圧縮比が最も高くされる。これにより、熱効率を高めることができる。よって、より少ない燃料で触媒を暖機できる。内燃機関の暖機中における圧縮比は、触媒の暖機中の圧縮比よりも低く、かつ内燃機関の暖機終了後の圧縮比よりも高くされる。これにより、ノッキングを抑制しつつ、熱効率を向上できる。よって、内燃機関をより好適に運転できる。
【0009】
別の実施例において、制御装置は、圧縮比に応じて内燃機関の動作点を変更するための手段をさらに備える。
【0010】
この構成によると、圧縮比を変更することに起因して移動した、内燃機関の効率が良い動作点に、内燃機関の実際の動作点を追従させることができる。
【0011】
さらに別の実施例において、内燃機関は、無段変速機に連結される。
この構成によると、たとえば車速を維持しつつ、内燃機関の出力軸回転数を増減できる。そのため、車速を維持しつつ、圧縮比を変更することに起因して移動した、内燃機関の効率が良い動作点に、内燃機関の実際の動作点を追従させることができる。
【0012】
さらに別の実施例において、制御装置は、触媒の暖機中は、点火時期を遅角するための遅角手段をさらに備える。
【0013】
この構成によると、点火時期を遅角することにより、燃焼室内での燃焼速度を緩慢にし、より多くの熱量を触媒に供給できる。よって、触媒の暖機を促進できる。
【0014】
さらに別の実施例において、第1の変更手段および第2の変更手段のうちの少なくとも一方は、吸気バルブの位相を進角することにより、内燃機関における圧縮比を高くする。
【0015】
この構成によると、吸気バルブの位相を進角することにより圧縮行程を長くすることができる。その結果、内燃機関における圧縮比が高くされる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】ハイブリッド車のパワートレーンを示す概略構成図である。
【図2】エンジンを示す概略構成図である。
【図3】動力分割機構の共線図である。
【図4】エンジン始動しきい値を示す図である。
【図5】燃費最適ラインを示す図である。
【図6】燃費最適ラインと等エンジン効率ラインとを示す図である。
【図7】圧縮比を高くしたときの燃費最適ラインと等エンジン効率ラインとを示す図である。
【図8】ECUが実行する処理を示すフローチャートである。
【図9】等パワー線に沿って変化する動作点を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【0018】
図1を参照して、本実施の形態に係る制御装置を搭載したハイブリッド車のパワートレーンについて説明する。なお、本実施の形態に係る制御装置は、たとえば、ECU(Electronic Control Unit)1000により実現される。
【0019】
図1に示すように、パワートレーンは、エンジン100と、第1モータジェネレータ(MG1)200と、これらエンジン100と第1モータジェネレータ200との間でトルクを合成もしくは分配する動力分割機構300と、第2モータジェネレータ(MG2)400とを主体として構成されている。
【0020】
エンジン100は、燃料を燃焼させて動力を出力する公知の内燃機関であって、スロットル開度(吸気量)や燃料供給量、点火時期などの運転状態を電気的に制御できるように構成されている。その制御は、例えば、マイクロコンピュータを主体とするECU1000によって行なわれる。
【0021】
図2を参照して、エンジン100には、エアクリーナ102から空気が吸入される。吸入空気量は、スロットルバルブ104により調整される。スロットルバルブ104はモータにより駆動される電子スロットルバルブである。
【0022】
空気は、シリンダ106(燃焼室)において燃料と混合される。シリンダ106には、インジェクタ108から燃料が直接噴射される。すなわち、インジェクタ108の噴射孔はシリンダ106内に設けられている。燃料は、シリンダ106の吸気側(空気が導入される側)から噴射される。
【0023】
燃料は吸気行程において噴射される。なお、燃料が噴射される時期は、吸気行程に限らない。また、本実施の形態においては、インジェクタ108の噴射孔がシリンダ106内に設けられた直噴エンジンとしてエンジン100を説明するが、直噴用のインジェクタ108に加えて、ポート噴射用のインジェクタを設けてもよい。さらに、ポート噴射用のインジェクタのみを設けるようにしてもよい。
【0024】
シリンダ106内の混合気は、点火プラグ110により着火され、燃焼する。燃焼後の混合気、すなわち排気ガスは、触媒112により浄化された後、車外に排出される。混合気の燃焼によりピストン114が押し下げられ、クランクシャフト116が回転する。
【0025】
シリンダ106の頭頂部には、吸気バルブ118および排気バルブ120が設けられる。シリンダ106に導入される空気の量および時期は吸気バルブ118により制御される。シリンダ106から排出される排気ガスの量および時期は排気バルブ120により制御される。吸気バルブ118はカム122により駆動される。排気バルブ120はカム124により駆動される。
【0026】
吸気バルブ118は、可変バルブタイミング機構126により、開閉タイミング(位相)が変更される。すなわち、可変バルブタイミング機構126は、吸気バルブ118の位相を、予め定められた最遅角の位相から最進角の位相まで変更可能である。言い換えると、可変バルブタイミング機構126は、吸気バルブ118の位相を最遅角の位相から進角可能である。たとえばエンジン100の始動に好適な位相が、最遅角の位相として定められる。エンジン100の始動に好適な位相は、実験およびシミュレーションなどに基づいて開発者により定められる。エンジン100の始動に好適な位相を、最遅角の位相から予め定められた進角量だけ進角した位相に設定するようにしてもよい。排気バルブ120の開閉タイミングを変更するようにしてもよい。
【0027】
本実施の形態においては、カム122が設けられたカムシャフト(図示せず)が可変バルブタイミング機構126により回転されることにより、吸気バルブ118の開閉タイミングが制御される。なお、開閉タイミングを制御する方法はこれに限らない。本実施の形態において、可変バルブタイミング機構126は、たとえば油圧により作動する。
【0028】
可変バルブタイミング機構126を搭載したエンジン100は、吸気バルブ118の位相を変更することにより、圧縮行程の長さを変更可能である。したがって、圧縮比が変更され得る。本実施の形態においては、触媒112の暖機中は触媒の暖機終了後に比べて圧縮比が高くされる。触媒112の暖機終了後において、エンジン100の暖機中は、暖機終了後に比べて圧縮比が高くされる。
【0029】
エンジン100は、ECU1000により制御される。ECU1000は、エンジン100が所望の運転状態になるように、スロットル開度、点火時期、燃料噴射時期、燃料噴射量、吸気バルブ118の開閉タイミングを制御する。ECU1000には、カム角センサ800、クランク角センサ802、水温センサ804、エアフローメータ806から信号が入力される。
【0030】
カム角センサ800は、カムの位置を表す信号を出力する。クランク角センサ802は、クランクシャフト116の回転数(エンジン回転数)NEおよびクランクシャフト116の回転角度(クランク角)を表す信号を出力する。カムの位置およびクランク角に基づいて、吸気バルブ118の開閉タイミング、すなわち位相が判定される。水温センサ804は、エンジン100の冷却水の温度(以下、水温とも記載する)を表す信号を出力する。エアフローメータ806は、エンジン100に吸入される空気量を表す信号を出力する。
【0031】
ECU1000は、これらのセンサから入力された信号、メモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、エンジン100を制御する。
【0032】
図1に戻って、第1モータジェネレータ200は、一例として三相交流回転電機であって、電動機(モータ)としての機能と発電機(ジェネレータ)としての機能とを生じるように構成される。第1モータジェネレータ200は、インバータ210を介してバッテリなどの蓄電装置700に接続されている。インバータ210を制御することにより、第1モータジェネレータ200の出力トルクあるいは回生トルクを適宜に設定するようになっている。その制御は、ECU1000によって行なわれる。なお、第1モータジェネレータ200のステータ(図示せず)は固定されており、回転しないようになっている。
【0033】
動力分割機構300は、外歯歯車であるサンギヤ(S)310と、そのサンギヤ(S)310に対して同心円上に配置された内歯歯車であるリングギヤ(R)320と、これらサンギヤ(S)310とリングギヤ(R)320とに噛合しているピニオンギヤを自転かつ公転自在に保持しているキャリヤ(C)330とを三つの回転要素として差動作用を生じる公知の歯車機構である。エンジン100の出力軸がダンパを介して第1の回転要素であるキャリヤ(C)330に連結されている。言い換えれば、キャリヤ(C)330が入力要素となっている。
【0034】
これに対して第2の回転要素であるサンギヤ(S)310に第1モータジェネレータ200のロータ(図示せず)が連結されている。したがってサンギヤ(S)310がいわゆる反力要素となっており、また第3の回転要素であるリングギヤ(R)320が出力要素となっている。そして、そのリングギヤ(R)320が、駆動輪(図示せず)に連結された出力軸600に連結されている。出力軸600の回転数は、出力軸回転数センサ602により検出され、出力軸回転数を表わす信号がECU1000に入力される。
【0035】
図3に、動力分割機構300の共線図を示す。図3に示すように、キャリヤ(C)330に入力されるエンジン100の出力するトルクに対して、第1モータジェネレータ200による反力トルクをサンギヤ(S)310に入力すると、これらのトルクを加減算した大きさのトルクが、出力要素となっているリングギヤ(R)320に現れる。その場合、第1モータジェネレータ200のロータがそのトルクによって回転し、第1モータジェネレータ200は発電機として機能する。また、リングギヤ(R)320の回転数(出力回転数)を一定とした場合、第1モータジェネレータ200の回転数を大小に変化させることにより、エンジン100の回転数を連続的に(無段階に)変化させることができる。すなわち、エンジン100は、動力分割機構300、第1モータジェネレータ200および第2モータジェネレータ400から構成される電気式無段変速機に連結される。エンジン100が電気式無段変速機に連結されているため、エンジン100の回転数を例えば燃費が最もよい回転数に設定する制御を、第1モータジェネレータ200を制御することによって行なうことができる。その制御は、ECU1000によって行なわれる。
【0036】
さらに、たとえば、エンジン100が停止(燃料噴射が停止)した状態で第1モータジェネレータ200に正回転方向にトルクを出力させると、キャリヤ(C)330に連結されているエンジン100にこれを正回転させる方向のトルクが作用し、第1モータジェネレータ200によってエンジン100の出力軸(クランクシャフト116)を回転させることができる。以下、第1モータジェネレータ200によってエンジン100の出力軸を回転させることをモータリングもしくはクランキングと記載する。
【0037】
図1に戻って、第2モータジェネレータ400は、一例として三相交流回転電機であって、電動機としての機能と発電機としての機能とを生じるように構成される。第2モータジェネレータ400は、インバータ350を介してバッテリなどの蓄電装置700接続されている。インバータ350を制御することにより、力行および回生ならびにそれぞれの場合におけるトルクを制御するように構成されている。なお、第2モータジェネレータ400のステータ(図示せず)は固定されており、回転しないようになっている。第2モータジェネレータ400は、出力軸600に連結される。
【0038】
図4に示すように、ハイブリッド車の走行パワーがエンジン始動しきい値より小さいと、エンジン100が停止され、第2モータジェネレータ400の駆動力のみを用いてハイブリッド車が走行する。
【0039】
一方、ハイブリッド車の走行パワーがエンジン始動しきい値以上になると、エンジン100が駆動される。これにより、第2モータジェネレータ400の駆動力に加えて、もしくは代わりに、エンジン100の駆動力を用いてハイブリッド車が走行する。また、エンジン100の駆動力を用いて第1モータジェネレータ200が発電した電力が第2モータジェネレータ400に直接供給される。
【0040】
走行パワーは、たとえば、ドライバにより操作されるアクセルペダルの開度(アクセル開度)および車速などをパラメータに有するマップに従ってECU1000により算出される。すなわち、本実施の形態において、ハイブリッド車の走行パワーは、運転者が要求するパワーを表わす。なお、走行パワーを算出する方法はこれに限らない。なお、本実施の形態において、パワーの単位はkW(キロワット)である。
【0041】
ハイブリッド車は、走行パワーを、エンジン100と第2モータジェネレータ400とで分担して実現するように制御される。たとえば、第1モータジェネレータ200が発電しない場合であれば、エンジン100の出力パワーと第2モータジェネレータ400の出力パワーとの和が、走行パワーと略同じになるように制御される。したがって、エンジン100の出力パワーが零であると、第2モータジェネレータ400の出力パワーが、走行パワーと略同じになるように制御される。第2モータジェネレータ400の出力パワーが零であると、エンジン100の出力パワーが走行パワーと略同じになるように制御される。
【0042】
エンジン100を駆動する場合、たとえば、車速が高いほど、第2モータジェネレータ400の出力トルクが低下されて、走行パワーに対するエンジン100の出力パワーの比率が大きくされる。一例として、車速がしきい値よりも高い場合には、第2モータジェネレータ400の出力トルクが零まで低下されて、エンジン100の駆動力のみを用いてハイブリッド車が走行する。なお、出力パワーの制御態様はこれに限らない。
【0043】
その他、エンジン100が駆動している状態においてイグニッションスイッチまたはスタートスイッチ等のスイッチがオフにされると、エンジン100が停止される。
【0044】
図5に示すように、エンジン100の動作点、すなわちエンジン回転数NEおよび出力トルクTEは、出力パワーと最適燃費ラインとの交点により定まる。出力パワーは、等パワー線によって示される。
【0045】
図6に示すように、最適燃費ラインは、エンジン100の効率がよい動作点を結ぶ線である。図6においては、最適燃費ラインを実線で示し、各動作点におけるエンジン100の効率を破線の等エンジン効率ラインで示す。図6においては、効率の概略的な特徴として、エンジン回転数NEが大きいほど効率がよいことが示される。最適燃費ラインは、各等パワー線上の動作点のうちの効率が最も高い動作点を結ぶことによって得られる。最適燃費ラインは、実験およびシミュレーションの結果に基づいて、開発者により予め定められる。
【0046】
エンジン100の効率は、たとえば吸気バルブ118の位相を変更してエンジン100の圧縮比を変更することによって変化し得る。図7に示すように、一例として、吸気バルブ118の位相を進角することによってエンジン100の圧縮比を高くすると、圧縮比が低い状態に比べて、効率がよい動作点が高トルク側に移動する。したがって、最適燃費ラインも高トルク側に移動する。
【0047】
このように、本実施の形態においては、エンジン100の圧縮比毎に最適燃費ラインが定められる。すなわち、圧縮比に応じてエンジン100の動作点が変更される。動作点は、等パワー線に沿って変更される。すなわち、出力パワーを維持するように動作点が変更される。したがって、圧縮比が高くなると、エンジン100の出力トルクTEが大きくされるとともに、エンジン回転数NEが小さくされる。
【0048】
図8を参照して、本実施の形態においてECU1000が実行する処理について説明する。以下に説明する処理は、ソフトウェアにより実現してもよく、ハードウェアにより実現してもよく、ソフトウェアとハードウェアとの協働により実現してもよい。
【0049】
ステップ(以下、ステップをSと略す)100にて、触媒112を暖機中であるか否が判断される。触媒112を暖機中であるか否かを判断する方法については周知の一般的な技術を利用すればよいため、ここではその詳細な説明は繰り返さない。
【0050】
触媒112を暖機中であると(S100にてYES)、S102にて、圧縮比が、予め定められた第1圧縮比CR1にされる。たとえば、所定のクランク角まで吸気バルブ118の位相が進角されることにより、圧縮比が第1圧縮比CR1まで増大される。吸気バルブ118の位相および第1圧縮比CR1は、予め開発者により定められる。さらに、S104にて、点火時期が遅角される。
【0051】
触媒112の暖機終了後は(S100にてNO)、S110にて、エンジン100を暖機中であるか否かが判断される。エンジン100を暖機中であるか否かを判断する方法については周知の一般的な技術を利用すればよいため、ここではその詳細な説明は繰り返さない。
【0052】
エンジン100を暖機中であると(S110にてYES)、S112にて、圧縮比が、予め定められた第2圧縮比CR2にされる。第2圧縮比CR2は、前述の第1圧縮比CR1よりも小さい圧縮比である。たとえば、所定のクランク角まで吸気バルブ118の位相が進角されることにより、圧縮比が第2圧縮比CR2まで増大される。吸気バルブ118の位相および第2圧縮比CR2は、予め開発者により定められる。
【0053】
さらに、S114にて、図9に示すように、エンジン100の動作点が、第2圧縮比CR2に対して定められた燃費最適ラインによって定められる動作点まで、等パワー線に沿って変更される。
【0054】
図8に戻って、エンジン100の暖機終了後は(S110にてNO)、S120にて、圧縮比が、第1圧縮比CR1および第2圧縮比CR2よりも低い圧縮比にされる。エンジン100の暖機終了後の圧縮比は、吸気バルブ118の位相に応じて定められる任意の圧縮比である。
【0055】
さらに、S122にて、第1圧縮比CR1および第2圧縮比CR2よりも低い圧縮比に対して定められた燃費最適ラインに従って、エンジン100の動作点が定められる。
【0056】
以上のように、本実施の形態においては、触媒112の暖機の実行状態およびエンジン100の暖機の実行状態に応じて、圧縮比が変更される。触媒112の暖機中は、圧縮比が最も高くされる。これにより、熱効率を高めることができる。よって、より少ない燃料で触媒112を暖機できる。エンジン100の暖機中における圧縮比は、触媒112の暖機中の圧縮比よりも低く、かつエンジン100の暖機終了後の圧縮比よりも高くされる。これにより、ノッキングを抑制しつつ、熱効率を向上できる。
【0057】
なお、上述した説明においては、エンジン100を電気式無段変速機に連結したハイブリッド車について説明したが、金属ベルトまたはチェーンをプライマリプーリおよびセカンダリプーリが挟持する無段変速機、トロイダル式無段変速機、ハーフトロイダル式無段変速機などの無段変速機にエンジン100を連結した、ハイブリッド車ではない車両を用いても良い。
【0058】
さらに、可変バルブタイミング機構126にて圧縮比を変更する代わりに、シリンダ106の容積を変更可能な可変圧縮比機構またはピストンのストローク長を変更可能な可変圧縮比機構(たとえば複リンク式ピストンストローク機構)を用いて圧縮比を変更するようにしてもよい。
【0059】
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。
【符号の説明】
【0060】
100 エンジン、102 エアクリーナ、104 スロットルバルブ、106 シリンダ、108 インジェクタ、110 点火プラグ、112 触媒、114 ピストン、116 クランクシャフト、118 吸気バルブ、120 排気バルブ、122,124 カム、126 可変バルブタイミング機構、200 第1モータジェネレータ、210,350 インバータ、300 動力分割機構、400 第2モータジェネレータ、600 出力軸、700 蓄電装置、800 カム角センサ、802 クランク角センサ、804 水温センサ、806 エアフローメータ、1000 ECU。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
排気ガスを浄化する触媒が設けられた内燃機関の制御装置であって、
前記触媒の暖機中は前記触媒の暖機終了後に比べて前記内燃機関における圧縮比を高くするための第1の変更手段と、
前記触媒の暖機終了後において、前記内燃機関の暖機中は前記内燃機関の暖機終了後に比べて前記内燃機関における圧縮比を高くするための第2の変更手段とを備える、内燃機関の制御装置。
【請求項2】
圧縮比に応じて前記内燃機関の動作点を変更するための手段をさらに備える、請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項3】
前記内燃機関は、無段変速機に連結される、請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項4】
前記触媒の暖機中は、点火時期を遅角するための遅角手段をさらに備える、請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項5】
前記第1の変更手段および前記第2の変更手段のうちの少なくとも一方は、吸気バルブの位相を進角することにより、前記内燃機関における圧縮比を高くする、請求項1に記載の内燃機関の制御装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2013−2324(P2013−2324A)
【公開日】平成25年1月7日(2013.1.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−132300(P2011−132300)
【出願日】平成23年6月14日(2011.6.14)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】