WO2022130614A1

WO2022130614A1 - 内燃機関の触媒暖機制御方法および触媒暖機制御装置

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Publication number: WO2022130614A1
Application number: PCT/JP2020/047407
Authority: WO
Inventors: 彰夫足利; 一樹丹澤; 毅露木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2022-06-23
Anticipated expiration: 2023-06-18
Also published as: US20240035424A1; EP4265495A4; JPWO2022130614A1; CN116568542A; EP4265495A1; JP7380914B2; US12085033B2; CN116568542B

Abstract

シリーズハイブリッド車に発電用として搭載された内燃機関（１）は、排気系に上流側触媒コンバータ（８）および下流側触媒コンバータ（９）を有する。内燃機関（１）が始動されたときに上流側触媒コンバータ（８）の温度が閾値以下であったら、点火時期を大幅にリタードした低速・低負荷の運転を行う。投入熱量から上流側触媒コンバータ（８）の暖機が完了したと判定したら、点火時期をＭＢＴ点付近とし最良燃費点付近の回転速度および負荷とした運転に移行する。下流側触媒コンバータ（９）の触媒暖機が完了したと判定するまでは、発電要求に拘わらず内燃機関（１）の運転を継続する。投入熱量から下流側触媒コンバータ（９）の暖機が完了したと判定したら内燃機関（１）の停止を許可する。

Description

内燃機関の触媒暖機制御方法および触媒暖機制御装置

　この発明は、シリーズハイブリッド車における発電用の内燃機関において、内燃機関の始動後の触媒暖機制御に関する。

　特許文献１には、内燃機関とモータジェネレータの双方を走行駆動源とするハイブリッド車両における内燃機関の触媒暖機制御として、排気系の上流側に位置する第１の触媒の暖機運転中と下流側に位置する第２の触媒の暖機運転中とで内燃機関の負荷等の運転条件を異ならせる技術が開示されている。

　しかしながら、この先行技術では、車両走行状態により内燃機関の要求出力が小さくなったら触媒暖機が未完了であっても内燃機関を停止させる構成となっている。そのため、内燃機関の排気浄化が必ずしも十分に達成できない。

　特許文献２も、同様に、触媒暖機運転中に内燃機関に要求される出力が小さくなったときに内燃機関を停止する構成である。なお、特許文献２には、好ましくない比較例として触媒暖機が完了するまで内燃機関の運転を継続する例が記載されているが、上流側触媒に相当する１つの触媒のみが開示されており、複数の触媒は考慮されていない。

特開２０１６－１１２９６２号公報特開２０１６－１２０８５３号公報

　この発明の触媒暖機制御は、発電用としてシリーズハイブリッド車に搭載され、車両側からの発電要求に応じて始動・停止が行われる内燃機関において、
　内燃機関が始動した後、排気系の相対的に上流側に位置する第１の触媒および下流側に位置する第２の触媒の触媒暖機状態をそれぞれ検知ないし推定し、
　これら２つの触媒の暖機が完了したと判定するまで、上記発電要求によらずに内燃機関の運転を継続する。

　このように第２の触媒が暖機完了するまで内燃機関の運転が継続されるので、内燃機関の排気性能が良好となる。

この発明の一実施例を示す内燃機関のシステム構成図。内燃機関始動後の触媒暖機制御を示すフローチャート。同じく触媒暖機制御の機能ブロック図。触媒暖機制御の一例を示すタイムチャート。

　以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明の一実施例となる内燃機関１のシステム構成を示している。この内燃機関１は、シリーズハイブリッド車に発電用として搭載される。シリーズハイブリッド車は、内燃機関が駆動する発電機によって発電し、発電した電力を用いて電動機を駆動することで走行を行う形式のハイブリッド車両である。すなわち、シリーズハイブリッド車は、主に発電機として動作する発電用モータジェネレータと、この発電用モータジェネレータを電力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１と、主にモータとして動作して駆動輪を駆動する走行用モータジェネレータと、発電した電力を一時的に蓄えるバッテリと、バッテリと各モータジェネレータとの間で電力変換を行うインバータ装置と、を備えて構成される。

　図１に示すように、一実施例の内燃機関１は、４ストロークサイクルの火花点火式ガソリン機関であって、ターボチャージャ２を備えている。内燃機関１の排気通路７には、ターボチャージャ２の排気タービン３が配置されており、該排気タービン３の下流側に、例えば三元触媒を用いた上流側触媒コンバータ８および下流側触媒コンバータ９が順に配置されている。一般に、上流側触媒コンバータ８はエンジンルーム内で排気タービン３の出口部に取り付けられており、下流側触媒コンバータ９は車両の床下に配置されている。排気通路７のさらに下流側には、排気消音器１１が設けられており、該排気消音器１１を介して排気通路７は外部へ開放されている。

　上記ターボチャージャ２は、過給圧制御のために排気タービン３の出口側と入口側とを連通するバイパス通路４ａおよび該バイパス通路４ａを開閉する電動型ウェストゲートバルブ４を備えている。

　内燃機関１の吸気通路１４には、上記ターボチャージャ２のコンプレッサ６が配置されており、このコンプレッサ６よりも下流側に、吸入空気量を制御する電子制御型のスロットル弁１５が配置されている。上記スロットル弁１５は、コレクタ部１６の入口部に位置し、このコレクタ部１６よりも下流側では、吸気通路１４は、吸気マニホルドとして各気筒毎に分岐している。上記コレクタ部１６の上流側つまりコンプレッサ６との間には、過給吸気を冷却する例えば水冷式のインタークーラ１７が設けられている。またコレクタ部１６は、コレクタ部１６内の吸気圧（過給圧）を検出する圧力センサ１８を備えている。

　なお、本発明においては内燃機関１は過給機を具備しない自然吸気機関であってもよい。

　上記吸気通路１４の最上流部には、エアクリーナ２３が配置されており、このエアクリーナ２３の下流側に、吸入空気量の検出を行うエアフロメータ２４が配置されている。

　上記排気通路７と上記吸気通路１４との間には、排気の一部を吸気系へ還流するための排気還流通路２６が設けられている。この排気還流通路２６は、上流端となる一端が、排気通路７の上流側触媒コンバータ８の下流側から分岐している。そして、下流端となる他端が、コンプレッサ６上流側の位置において吸気通路１４に接続されている。上記排気還流通路２６の途中には、運転条件に応じて開度が可変制御される排気還流制御弁２７が介装されており、さらに、この排気還流制御弁２７よりも排気通路７側となる位置に、還流排気の冷却を行うＥＧＲガスクーラ２８が設けられている。

　上記上流側触媒コンバータ８の入口側には空燃比センサ３１が、上記下流側触媒コンバータ９の入口側には酸素センサ３２が、それぞれ設けられている。下流側触媒コンバータ９の出口側には排気温度センサ３３が配置されている。

　上記内燃機関１は、エンジンコントローラ１２によって統合的に制御される。エンジンコントローラ１２には、上記のエアフロメータ２４や圧力センサ１８等のほか、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ３４、冷却水温を検出する水温センサ３５、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ３６、等の種々のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ１２は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁３７からの燃料噴射量や噴射時期ならびに点火プラグ３８による点火時期、スロットル弁１５の開度、ウェストゲートバルブ４の開度、排気還流制御弁２７の開度、等を最適に制御している。また詳細には図示していないが、実施例の内燃機関１は、吸気弁４１のバルブタイミングを変更する吸気側可変バルブタイミング機構および排気弁４２のバルブタイミングを変更する排気側可変バルブタイミング機構を備えており、エンジンコントローラ１２は、これらの可変バルブタイミング機構も適宜に制御している。

　そして、内燃機関１の冷間始動時には、エンジンコントローラ１２は、触媒コンバータ８，９の早期活性化のために、所定の触媒暖機制御を実行する。

　図２のフローチャートは、エンジンコントローラ１２が行う触媒暖機制御の処理の流れを示している。この図２に示すルーチンは、内燃機関１の始動とともに開始する。なお、内燃機関１は、車両の発進後、発電要求が生じることで始動される。最初にステップ１において、内燃機関１の始動時に上流側触媒コンバータ８が触媒活性温度以上であるか否かを判定する。これは、前回のトリップ終了時（つまりキーオフ時）における触媒温度の情報（これは排気温度センサ３３の検出温度から求められる）と、この前回のトリップ終了からの経過時間と、に基づいて触媒温度を推定し、これを所定の閾値（触媒活性温度に相当）と比較することにより判定される。上流側触媒コンバータ８が活性温度に達していれば、直ちに後述するステップ４以降の処理に進む。

　活性温度未満の場合つまり上流側触媒コンバータ８が未暖機状態であれば、ステップ１からステップ２へ進み、触媒暖機のための大幅な点火時期リタードを行いつつ比較的に低い負荷および低い機関回転速度でもって内燃機関１を運転する。点火時期リタードによって排気温度が高くなり、かつ燃焼重心が遅れ側となることで、触媒とりわけ上流側触媒コンバータ８の暖機が促進される。

　次にステップ３に進み、上流側触媒コンバータ８の暖機状態の推定を行う。具体的には、内燃機関１の回転速度、負荷、点火時期（リタード量）、吸気弁４１および排気弁４２のバルブタイミング、排気還流率、燃料噴射時期、燃圧、等のパラメータに基づいて、サイクル毎に上流側触媒コンバータ８に投入される熱量（換言すれば排気ポートから出て上流側触媒コンバータ８へ移動する熱量）を求め、かつこれを順次積算する。そして、この上流側触媒コンバータ８への投入熱量を所定の閾値（Ｑ１）と比較し、閾値（Ｑ１）以上となったら上流側触媒コンバータ８の暖機が完了したものと判定する。投入熱量が所定の閾値（Ｑ１）に達するまでは、ステップ３からステップ２へ戻り、大幅な点火時期リタードを伴う比較的低速・低負荷の運転を継続する。そして、ステップ３の暖機完了の判定を繰り返し行う。この間、内燃機関１に指令される発電要求がなくなったとしても、内燃機関１は停止せず、運転が継続される。なお、ステップ３の判定における投入熱量の閾値（Ｑ１）としては、ステップ１で求められる始動時の上流側触媒コンバータ８の温度に応じて可変的に設定するようにしてもよく、始動時の上流側触媒コンバータ８の温度に拘わらず一定としてもよい。

　上流側触媒コンバータ８の暖機が完了したと判定したらステップ３からステップ４へ進み、点火時期リタードを終了するとともに回転速度および負荷を相対的に高くして内燃機関１の運転を継続する。換言すれば、点火時期をＭＢＴ付近とし、かつ、最良燃費点付近の回転速度および負荷とする。つまり、過度の燃費悪化を回避しつつ下流側触媒コンバータ９の触媒暖機のために内燃機関１の運転を継続する。なお、内燃機関１の始動時に上流側触媒コンバータ８の推定温度が閾値以上である場合には、直ちにステップ４における点火時期をＭＢＴ点付近とした最良燃費点付近での運転が開始される。

　次のステップ５では、下流側触媒コンバータ９の暖機状態の推定を行う。具体的には、ステップ３と同様に、内燃機関１の回転速度、負荷、点火時期、吸気弁４１および排気弁４２のバルブタイミング、排気還流率、燃料噴射時期、燃圧、等のパラメータに基づいて、サイクル毎に下流側触媒コンバータ９に投入される熱量（換言すれば排気ポートから出て上流側触媒コンバータ８を介して下流側触媒コンバータ９へ移動する熱量）を求め、かつこれを順次積算する。そして、この下流側触媒コンバータ９への投入熱量を所定の閾値（Ｑ２）と比較し、閾値（Ｑ２）以上となったら下流側触媒コンバータ９の暖機が完了したものと判定する。投入熱量が所定の閾値（Ｑ２）に達するまでは、ステップ５からステップ４へ戻り、点火時期リタードを伴わない最良燃費点付近での運転を継続する。そして、ステップ５の暖機完了の判定を繰り返し行う。この間、内燃機関１に指令される発電要求がなくなったとしても、内燃機関１は停止せず、運転が継続される。なお、ステップ５の判定における投入熱量の閾値（Ｑ２）としては、始動時の下流側触媒コンバータ９の温度（上流側触媒コンバータ８とは別個に推定してもよく、あるいは、上流側触媒コンバータ８の推定温度から求めるようにしてもよい）に応じて可変的に設定するようにしてもよく、始動時の下流側触媒コンバータ９の温度に拘わらず一定としてもよい。

　下流側触媒コンバータ９の暖機が完了したと判定したらステップ５からステップ６へ進み、発電要求に応じた内燃機関１の停止を許可する。これにより、発電要求がなくなった段階で内燃機関１が停止する。

　なお、触媒コンバータ８，９の暖機が一旦完了した後は、触媒温度が活性温度を下回らないように、内燃機関１の運転が適宜に制御される。

　このように、この実施例では、内燃機関１の最初の始動後に上流側触媒コンバータ８および下流側触媒コンバータ９の双方の暖機が完了するまで発電要求によらずに内燃機関１の運転が継続される。そのため、上流側触媒コンバータ８および下流側触媒コンバータ９による排気浄化性能が確実に得られる。

　また上流側触媒コンバータ８が暖機完了となるまでは大幅な点火時期リタードを伴う比較的低速・低負荷の運転がなされるので、上流側触媒コンバータ８が早期に活性化するとともに、上流側触媒コンバータ８が活性化するまでの間の排気性能の悪化が最小限となる。さらに、上流側触媒コンバータ８が暖機完了した後はＭＢＴ点付近の通常点火時期による最良燃費点付近での運転がなされるので、燃費悪化を抑制しつつ下流側触媒コンバータ９の活性化を図ることができる。

　図３は、上述した触媒暖機制御をブロック図として示したものであり、制御の内容は図２のフローチャートのものと変わりはない。ブロックＢ１に示す前回のトリップ終了時（キーオフ時）における上流側触媒コンバータ８の触媒温度の情報（これは排気温度センサ３３の検出温度による）と、この前回のトリップ終了からの経過時間と、がブロックＢ２に入力され、ブロックＢ２で内燃機関１の始動時における上流側触媒コンバータ８の触媒温度が算出される。ブロックＢ３では、算出した上流側触媒コンバータ８の触媒温度をブロックＢ４で設定された閾値（クライテリア）と比較し、暖機判定を行う。未暖機であれば前述したように点火時期リタードを伴う低速・低負荷の運転を行う。

　ブロックＢ５では、ブロックＢ６から入力される各種パラメータ（回転速度、負荷、点火時期（リタード量）、バルブタイミング、排気還流率、燃料噴射時期、燃圧）を用いて、上流側触媒コンバータ８に投入される熱量を演算する。ブロックＢ７では、算出された投入熱量を、ブロックＢ８で設定された閾値（クライテリア）Ｑ１と比較する。閾値Ｑ１に達したら前述したようにＭＢＴ点付近の通常点火時期による最良燃費点付近の回転速度および負荷での運転に移行する。

　ブロックＢ９では、ブロックＢ１０から入力される各種パラメータ（回転速度、負荷、点火時期、バルブタイミング、排気還流率、燃料噴射時期、燃圧）を用いて、下流側触媒コンバータ９に投入される熱量を演算する。ブロックＢ１１では、算出された投入熱量を、ブロックＢ１２で設定された閾値（クライテリア）Ｑ２と比較する。閾値Ｑ２に達したらブロックＢ１３において内燃機関１の停止を許可する。

　次に、図４は、上記実施例の触媒暖機制御による各部の動作やパラメータの変化の一例を示したタイムチャートである。図の上から順に、（ａ）車速、（ｂ）内燃機関１のトルク（負荷）、（ｃ）内燃機関１の回転速度、（ｄ）演算される上流側触媒コンバータ８への投入熱量、（ｅ）上流側触媒コンバータ８の温度、（ｆ）点火時期リタード運転の終了判定フラグ、（ｇ）点火時期リタード運転要求フラグ、（ｈ）演算される下流側触媒コンバータ９への投入熱量、（ｉ）内燃機関１の停止を禁止する停止禁止要求フラグ、（ｊ）点火時期、（ｋ）下流側触媒コンバータ９の温度、の変化をそれぞれ示している。

　このタイムチャートにおいては、時間ｔ１において車両がキーオン状態となり、（ｇ）に示す点火時期リタード運転要求フラグがオンとなる。時間ｔ２において車両が発進した後、発電要求が生じるため、内燃機関１が始動され、時間ｔ３において内燃機関１の自立運転が開始する。このとき、（ｇ）に示す点火時期リタード運転要求フラグに従って、点火時期を大幅にリタードし、かつ回転速度および負荷を比較的低く設定した触媒暖機用のリタード運転が行われる。なお、時間ｔ１から時間ｔ３の間に（ａ），（ｋ）に示す上流側触媒コンバータ８および下流側触媒コンバータ９の温度が僅かに低下するのは、これらが車両走行風によって冷却されるためである。

　点火時期をリタードした運転中、（ｄ）に示すように上流側触媒コンバータ８への投入熱量が増加していき、時間ｔ４において所定の閾値Ｑ１に達する。これに伴い、（ｇ）に示す点火時期リタード運転要求フラグがオフとなり、点火時期をＭＢＴ点付近としかつ相対的に高速高負荷側となる最良燃費点付近での運転に移行する。

　この最良燃費点付近での運転中、（ｈ）に示すように下流側触媒コンバータ９への投入熱量が増加していき、時間ｔ５において所定の閾値Ｑ２に達する。これに伴い、（ｉ）に示す停止禁止要求フラグがオフとなる。図４の例では、時間ｔ５に達する前に発電要求が終了しているものと仮定しており、時間ｔ５において停止禁止要求フラグがオフとなると、内燃機関１の運転が終了する（（ｂ），（ｃ）参照）。時間ｔ５以降は、バッテリの電力を用いたいわゆるＥＶ走行となる。停止禁止要求フラグがオンである間は、発電要求に拘わらず内燃機関１の運転は停止しない。つまり前述したように、上流側触媒コンバータ８および下流側触媒コンバータ９の双方の暖機が完了するまで内燃機関１の運転が継続する。

　ここで、（ｋ）に示すように、下流側触媒コンバータ９の温度は時間ｔ４以前においても徐々に上昇している。しかしながら、下流側触媒コンバータ９への投入熱量の積算は時間ｔ４から開始する。このようにすることで、制御が単純なものとなる。

　なお、図４の例では、時間ｔ３～ｔ４の間が請求項における第１の区間に相当し、時間ｔ４～ｔ５の間が第２の区間に相当する。

　以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上流側触媒コンバータ８や下流側触媒コンバータ９の温度や暖機状態の推定は種々の方法で行うことが可能であり、温度センサを用いて直接に検出する構成であってもよい。また本発明は、上流側触媒コンバータ８と下流側触媒コンバータ９との間にさらに中間触媒コンバータを具備する構成であっても同様に適用が可能である。

Claims

　発電用としてシリーズハイブリッド車に搭載され、車両側からの発電要求に応じて始動・停止が行われる内燃機関において、
　内燃機関が始動した後、排気系の相対的に上流側に位置する第１の触媒および下流側に位置する第２の触媒の触媒暖機状態をそれぞれ検知ないし推定し、
　これら２つの触媒の暖機が完了したと判定するまで、上記発電要求によらずに内燃機関の運転を継続する、内燃機関の触媒暖機制御方法。
　内燃機関の始動から第１の触媒の暖機が完了するまでの第１の区間では、触媒暖機のための点火時期リタードを行い、第１の触媒の暖機完了から第２の触媒が完了するまでの第２の区間では、点火時期リタードを伴わない運転を行う、請求項１に記載の内燃機関の触媒暖機制御方法。
　上記第２の区間では、最良燃費点付近の負荷および機関回転速度で内燃機関を運転し、上記第１の区間では、上記第２の区間よりもそれぞれ相対的に低い負荷および機関回転速度で内燃機関を運転する、請求項２に記載の内燃機関の触媒暖機制御方法。
　第１の触媒の触媒暖機状態の推定として、内燃機関が始動してから第１の触媒に投入された熱量を演算し、この投入熱量が所定のクライテリアに達したときに、第１の触媒の暖機が完了したと判定する、請求項１～３のいずれかに記載の内燃機関の触媒暖機制御方法。
　内燃機関の始動時における第１の触媒の初期温度を検知ないし推定し、この初期温度に応じて上記クライテリアを設定する、請求項４に記載の内燃機関の触媒暖機制御方法。
　第２の触媒の触媒暖機状態の推定として、第１の触媒の暖機が完了したと判定してから第２の触媒に投入された熱量を演算し、この投入熱量が所定の第２のクライテリアに達したときに、第２の触媒の暖機が完了したと判定する、請求項１～５のいずれかに記載の内燃機関の触媒暖機制御方法。
　排気系の相対的に上流側に位置する第１の触媒および下流側に位置する第２の触媒を有し、発電用としてシリーズハイブリッド車に搭載された内燃機関の触媒暖機制御装置であって、
　車両側からの発電要求に応じて上記内燃機関の始動・停止を指令するとともに、上記第１の触媒および上記第２の触媒の触媒暖機状態をそれぞれ検知ないし推定し、これら２つの触媒の暖機が完了したと判定するまで、上記発電要求によらずに内燃機関の運転を継続する、内燃機関の触媒暖機制御装置。