JP7718163B2 - ハイブリッド車両の制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、モータジェネレータの力行によって内燃機関のモータリングが行われることがあるハイブリッド車両の制御方法および制御装置に関する。

シリーズハイブリッド車両やシリーズ・パラレルハイブリッド車両あるいはパラレルハイブリッド車両など、内燃機関とモータジェネレータとを搭載したハイブリッド車両にあっては、モータジェネレータの力行によって内燃機関のモータリングが行われることがある。

例えば、特許文献１には、バッテリに充電余裕がない状況下で走行用モータジェネレータによる回生制動を行ったときに、内燃機関に接続されている他のモータジェネレータによって内燃機関をモータリングし、回生制動により生じた余剰の電力をこのモータリングによって消費するようにした技術が開示されている。

特開２０１０－０１８２１２号公報

上記のように内燃機関をモータリングすると、特にピストンが下降する行程において筒内が負圧化し、クランクケース内のオイルが燃焼室側にしみ出て来やすくなる。その結果、オイル消費が増え、またオイルに含まれるＨＣが外部へ排出される、という問題がある。

この発明に係るハイブリッド車両の制御は、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発電のために駆動する内燃機関と、発電された電力を用いて駆動輪を駆動する走行用モータジェネレータと、を備えたシリーズハイブリッド形式のハイブリッド車両において、
内燃機関の吸気系に電動コンプレッサを設け、
余剰電力の消費が要求されたときに、電力消費を伴う上記発電用モータジェネレータの力行によって内燃機関をモータリングし、
このモータリング時に上記電動コンプレッサを作動させて電力消費を行うとともに内燃機関の燃焼室に供給される吸気の圧力を高める、ものである。

この発明によれば、余剰電力の消費が要求されたときに、発電用モータジェネレータの力行による内燃機関のモータリングと併せて電動コンプレッサが作動することで、効果的な電力消費を行うことができるとともに、電動コンプレッサの作動によりモータリング中の吸気圧力が高くなり、筒内の負圧の発達が抑制される。これにより、モータリング時に問題となる燃焼室側へのオイルのしみ出しが少なくなる。

シリーズハイブリッド車両の構成説明図。 一実施例の内燃機関の構成説明図。 一実施例のモータリング時の消費電力を参考例と対比して示した説明図。

図１は、この発明が適用されるハイブリッド車両の一例としてシリーズハイブリッド車両の構成を概略的に示している。シリーズハイブリッド車両は、主に発電機として動作する発電用モータジェネレータ１と、この発電用モータジェネレータ１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２と、主にモータとして動作して駆動輪３を駆動する走行用モータジェネレータ４と、発電した電力を一時的に蓄えるバッテリ５と、を備えて構成されている。内燃機関２が発電用モータジェネレータ１を駆動することによって得られた電力は、図示しないインバータ装置を介してバッテリ５に蓄えられる。走行用モータジェネレータ４は、バッテリ５の電力を用いて駆動制御される。走行用モータジェネレータ４の回生時の電力は、やはり図示しないインバータ装置を介してバッテリ５に蓄えられる。

モータジェネレータ１，４の動作やバッテリ５の充放電および内燃機関２の運転は、コントローラ６によって制御される。コントローラ６は、モータジェネレータ１，４を制御するモータコントローラ７や内燃機関２を制御するエンジンコントローラ８、バッテリ５を管理するバッテリコントローラ９など、互いに通信可能なように接続された複数のコントローラによって構成されている。コントローラ６には、図示しないアクセルペダルの開度や車速等の情報が入力される。またバッテリコントローラ９は、バッテリ５の電圧・電流に基づいてバッテリ５のＳＯＣを求める。ＳＯＣが所定の下限レベルまで低下したときには、エンジンコントローラ８を介して内燃機関２が始動され、発電が行われる。すなわち、発電用モータジェネレータ１を駆動する内燃機関２は、バッテリ５のＳＯＣやアクセルペダル開度等に応じた電力要求に基づいて、エンジンコントローラ８を介して、始動・停止される。

図２は、内燃機関２のシステム構成を示している。この内燃機関２は、ターボチャージャ１２を備えた４ストロークサイクルの火花点火式内燃機関であって、各シリンダ１３の天井壁面に、一対の吸気弁１４および一対の排気弁１５が配置されているとともに、これらの吸気弁１４および排気弁１５に囲まれた中央部に点火プラグ１６が配置されている。吸気弁１４の下方には、シリンダ１３内へ燃料を供給する燃料噴射弁１７が設けられている。点火プラグ１６の点火時期および燃料噴射弁１７による燃料の噴射時期ならびに噴射量はエンジンコントローラ８によって制御される。燃焼室１０は、シリンダ１３内を上下に摺動するピストン１１によってクランクケース２０内の空間から仕切られている。

ここで、ターボチャージャ１２としては、タービン１２ｂおよびコンプレッサ１２ａと同軸上にモータジェネレータ部１２ｃを有する電動アシストターボチャージャが用いられている。この電動アシストターボチャージャ１２では、内燃機関２の燃焼運転の停止中であってもモータジェネレータ部１２ｃの力行によってロータを回転させ、吸気を圧送することが可能である。つまり、一種の電動コンプレッサとして機能する。また内燃機関２の燃焼運転中は、余剰の排気エネルギを吸収するようにモータジェネレータ部１２ｃを回生制御し、電力として回収することができる。モータジェネレータ部１２ｃは、エンジンコントローラ８によって制御される。モータジェネレータ部１２ｃに必要な電力は図示しないインバータ回路を介して車両走行用のバッテリ５から供給され、回生により得られた電力は同様に車両走行用のバッテリ５に蓄えられる。

また吸気弁１４および排気弁１５は、各々の開時期および閉時期を変更可能な可変バルブ機構１８，１９を備えている。この可変バルブ機構１８，１９はどのような形式のものであってもよいが、例えばクランクシャフトの位相に対してカムシャフトの位相を遅進させる形式の機構を用いることができる。さらに、開時期および閉時期に加えてバルブリフト量を変更し得る構成であってもよい。

吸気通路２１は、吸気コレクタ２１ａを有し、この吸気コレクタ２１ａよりも上流側に、エンジンコントローラ８からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ２２が設けられている。スロットルバルブ２２の上流側に、ターボチャージャ１２のコンプレッサ１２ａが位置し、このコンプレッサ１２ａよりも上流に、吸入空気量を検出するエアフロメータ２４およびエアクリーナ２５が配設されている。コンプレッサ１２ａとスロットルバルブ２２との間には、高温高圧となった吸気を冷却するために、例えば水冷式のインタークーラ２６が設けられている。また、コンプレッサ１２ａの吐出側と吸入側とを連通するようにリサーキュレーションバルブ２７が設けられている。

排気通路３０には、ターボチャージャ１２のタービン１２ｂが位置し、その下流側に排気浄化のためのプリ触媒装置３１およびメイン触媒装置３２が配設されている。プリ触媒装置３１はタービン１２ｂの出口に配置されており、メイン触媒装置３２は車両の床下に配置されている。排気通路３０のタービン１２ｂよりも上流側に、空燃比を検出する空燃比センサ３３が配置されている。タービン１２ｂは、過給圧を制御するために過給圧に応じて排気の一部をバイパスするウェストゲートバルブ３４を備えている。ウェストゲートバルブ３４は、例えば、エンジンコントローラ８によって開度が制御される電動型の構成のものが用いられている。

また、排気通路３０から吸気通路２１へ排気の一部を還流する排気還流通路として、タービン１２ｂ下流側からコンプレッサ１２ａよりも上流側の位置に排気を還流する低圧排気還流通路３５と、タービン１２ｂ上流側からコンプレッサ１２ａよりも下流側の位置例えば吸気コレクタ２１ａに排気を還流する高圧排気還流通路３６と、を備えている。低圧排気還流通路３５には、例えば水冷式のＥＧＲガスクーラ３７と、低圧ＥＧＲバルブ３８と、が設けられている。高圧排気還流通路３６には、高圧ＥＧＲバルブ３９が設けられている。基本的に、過給域では低圧排気還流通路３５を介して排気還流が実行され、非過給域では高圧排気還流通路３６を介して排気還流が実行される。

上記エンジンコントローラ８には、上記のエアフロメータ２４、空燃比センサ３３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４１、冷却水温を検出する水温センサ４２、過給圧を検出する過給圧センサ４３、等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８は、これらの検出信号や他のコントローラ７，９からの要求に基づき、燃料噴射量および噴射時期、点火時期、スロットルバルブ２２の開度、過給圧、等を最適に制御している。

内燃機関２は、基本的には、バッテリ５のＳＯＣが所定の下限ＳＯＣ値まで低下したときに始動され、ＳＯＣが所定レベルまで回復すると停止する。すなわち、内燃機関２が発電用モータジェネレータ１を駆動し、発電を行う。発電した電力は走行用モータジェネレータ４によって消費され、余剰の電力は、バッテリ５に蓄えられる。また、車両の減速時や降坂時には、走行用モータジェネレータ４が回生制御され、得られた電力がバッテリ５に回収される。

一方、発電用モータジェネレータ１に接続されている内燃機関２は、条件によって、逆に発電用モータジェネレータ１の力行によってモータリングされることがある。例えば、走行用モータジェネレータ４の回生制御に際してバッテリ５のＳＯＣが所定の上限ＳＯＣ値に達しているときには、過充電によるバッテリ５の劣化を回避するために、発電用モータジェネレータ１を用いた内燃機関２のモータリングが実行され、回生電力が消費される。なお、このようなモータリングによる電力消費は、例えば実際に回生を行っている降坂路走行中に実行できるほか、降坂路を予測して事前にバッテリ５のＳＯＣを低下させるように降坂路到達前に実行するようにしてもよい。

このように内燃機関２を外部からモータリングすると、前述したように、特にピストン１１が下降する行程においてシリンダ１３内が負圧化し、クランクケース２０内のオイルが燃焼室１０側にしみ出て来やすくなる。その結果、オイル消費が増え、またオイルに含まれるＨＣが外部へ排出される、という問題がある。このような負圧の発達を抑制するために、この実施例では、発電用モータジェネレータ１により内燃機関２のモータリングを行う際に、これと並行して、ターボチャージャ１２のモータジェネレータ部１２ｃを回転駆動し、コンプレッサ１２ａによって吸気の圧送を行う。これにより、吸気コレクタ２１ａ内の圧力が高くなり、ひいてはモータリング中の燃焼室１０内の圧力が高くなる。従って、クランクケース２０から燃焼室１０側にしみ出すオイルが少なくなる。

好ましい一実施例では、ピストン１１の下降行程においても燃焼室１０内が正圧となる程度にターボチャージャ１２が駆動される。このように正圧が保たれるようにすれば、圧力差によるクランクケース２０から燃焼室１０側へのオイルの移動が確実に抑制される。但し、ピストン１１の下降行程中に燃焼室１０内が負圧となる場合であっても、ターボチャージャ１２の駆動による吸気の加圧によって、クランクケース２０内の圧力と燃焼室１０内の圧力との圧力差が縮小するので、それだけオイルの燃焼室１０側への移動が少なくなる効果が得られる。

一方、内燃機関２のモータリング時にターボチャージャ１２のモータジェネレータ部１２ｃを力行動作させることは、電力消費の上でも有利となる。つまり、発電用モータジェネレータ１の消費電力にモータジェネレータ部１２ｃの消費電力が加わることになり、降坂路等での回生電力の消費あるいはバッテリ５のＳＯＣの低下が促進される。

より厳密には、ターボチャージャ１２が過給動作を行うことで内燃機関２のポンプ損失が小さくなり、内燃機関２のモータリングに必要な発電用モータジェネレータ１の消費電力は低減する。しかし、モータジェネレータ部１２ｃの消費電力が加わることで、トータルの消費電力は相対的に大となる。

図３は、（ａ）電動アシストターボチャージャ１２を用いない比較例と、（ｂ）電動アシストターボチャージャ１２による過給動作を付加する実施例と、の各々の消費電力を説明した説明図である。

比較例（ａ）の場合、要求消費電力をＷ₀、モータリング中の発電用モータジェネレータ１の消費電力をＷ₁、とすると、Ｗ₀＝Ｗ₁の関係がある。また、このとき、シリンダ１３内の圧力Ｐ₁は、「Ｐ₁＜０」つまり負圧となる。消費電力Ｗ₁と圧力Ｐ₁は、互いに相関し、スロットルバルブ２２の開度制御等により消費電力Ｗ₁を大とするほど圧力Ｐ₁は低くなる（負圧が発達する）。換言すれば、消費電力Ｗ₁を大きく得ようとすると、それだけオイル消費が増加する。

実施例（ｂ）の場合、要求消費電力をＷ₀、モータリング中の発電用モータジェネレータ１の消費電力をＷ₂、ターボチャージャ１２のモータジェネレータ部１２ｃの消費電力をＷ₃、とすると、Ｗ₀＝Ｗ₂＋Ｗ₃の関係がある。従って、Ｗ₁＞Ｗ₂の関係が得られる。つまり、同じ要求消費電力Ｗ₀に対しては、発電用モータジェネレータ１の消費電力Ｗ₂は、モータジェネレータ部１２ｃの消費電力Ｗ₃分だけ比較例（ａ）における消費電力Ｗ₁よりも小さくなる。そして、このときのシリンダ１３内の圧力Ｐ₂は、比較例（ａ）の場合の圧力Ｐ₁よりも高くなる。この圧力Ｐ₂は、やはりモータリングに必要な消費電力Ｗ₂に相関する。つまり、圧力Ｐ₂がＰ₁よりも高くなることで消費電力Ｗ₂がＷ₁よりも小さくなる。

このように、上記実施例では、仮に同じ要求消費電力Ｗ₀を消費するものとすれば、モータジェネレータ部１２ｃによりターボチャージャ１２を駆動することで、シリンダ１３内の圧力Ｐ₂が高く得られることとなり、クランクケース２０からのオイルのしみ出しが抑制される。

また、仮に、シリンダ１３内の圧力が比較例と同程度であることを許容するものとすれば、トータルの消費電力（Ｗ₂＋Ｗ₃）が比較例の消費電力Ｗ₁よりも大きく得られる。このことは、例えばバッテリ５のＳＯＣをあるレベルにまで低下させるのに必要なモータリングの時間が短くなることを意味し、結果として、モータリングに伴ってクランクケース２０から燃焼室１０側へ移動するオイルの量が少なくなる。

モータリング中のポンプ損失（つまりモータリングに必要な消費電力Ｗ₂）は、例えば、スロットルバルブ２２の開度、可変バルブ機構１８，１９による吸気弁１４や排気弁１５の開閉特性（開閉時期やリフト量等）、高圧排気還流通路３６における高圧ＥＧＲバルブ３９の開度、等に影響を受ける。好ましい一実施例では、これらの要素の少なくとも１つを制御することで、ポンプ損失が適切に設定される。そして、これらの要素の制御とターボチャージャ１２のモータジェネレータ部１２ｃの制御と組み合わせることで、燃焼室１０内の圧力を適宜に制御でき、シリンダ１３内の圧力とトータルの消費電力とのバランスを最適化することが可能である。

なお、内燃機関２が燃焼運転されている間は、電動アシストターボチャージャ１２は一般的な態様で利用可能である。つまり、過給開始時や排気エネルギが不十分であるときなどにモータジェネレータ部１２ｃの力行により過給の応答を高めることができる。排気エネルギが過剰であるときには、モータジェネレータ部１２ｃの回生制御により、排気エネルギの回収が可能である。

以上、この発明をシリーズハイブリッド車両に適用した一実施例を説明したが、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、上記実施例では電動コンプレッサとして電動アシストターボチャージャを利用しているが、いかなる形式の電動コンプレッサであってもよく、比較的低圧のいわゆるブロアであってもよい。必ずしも燃焼運転時の過給に用いる過給機である必要はなく、モータリング時の圧力調整のために電動コンプレッサを備えた構成も可能である。

１…発電用モータジェネレータ
２…内燃機関
４…走行用モータジェネレータ
５…バッテリ
６…コントローラ
８…エンジンコントローラ
１０…燃焼室
１２…ターボチャージャ
１２ａ…コンプレッサ
１２ｂ…タービン
１２ｃ…モータジェネレータ部
１８，１９…可変バルブ機構
２２…スロットルバルブ
３９…高圧ＥＧＲバルブ

Claims (5)

1. 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発電のために駆動する内燃機関と、発電された電力を用いて駆動輪を駆動する走行用モータジェネレータと、を備えたシリーズハイブリッド形式のハイブリッド車両において、
   内燃機関の吸気系に電動コンプレッサを設け、
   余剰電力の消費が要求されたときに、電力消費を伴う上記発電用モータジェネレータの力行によって内燃機関をモータリングし、
   このモータリング時に上記電動コンプレッサを作動させて電力消費を行うとともに内燃機関の燃焼室に供給される吸気の圧力を高める、
   ハイブリッド車両の制御方法。
2. 上記電動コンプレッサとして、タービンおよびコンプレッサと同軸上にモータジェネレータ部を備えた電動アシストターボチャージャを用いる、
   請求項１に記載のハイブリッド車両の制御方法。
3. 内燃機関の燃焼室が正圧となるように電動コンプレッサを作動させる、
   請求項１または２に記載のハイブリッド車両の制御方法。
4. 吸気弁ないし排気弁の開閉特性、吸気通路におけるスロットルバルブの開度、タービン上流の排気通路からコンプレッサ下流の吸気通路にＥＧＲガスを導く排気還流通路における排気還流制御弁の開度、の中の少なくとも１つの制御と、電動アシストターボチャージャの制御と、を組み合わせて、燃焼室内の圧力を制御する、
   請求項２に記載のハイブリッド車両の制御方法。
5. 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発電のために駆動する内燃機関と、
   発電された電力を用いて駆動輪を駆動する走行用モータジェネレータと、
   内燃機関の吸気系に設けられた電動コンプレッサと、
   コントローラと、
   を備えたシリーズハイブリッド形式のハイブリッド車両において、
   上記コントローラは、
   余剰電力の消費が要求されたときに、電力消費を伴う上記発電用モータジェネレータの力行によって内燃機関をモータリングし、
   このモータリング時に上記電動コンプレッサを作動させて電力消費を行うとともに内燃機関の燃焼室に供給される吸気の圧力を高める、
   ハイブリッド車両の制御装置。