WO2025262869A1

WO2025262869A1 - 内燃機関の加速時制御方法および装置

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Publication number: WO2025262869A1
Application number: PCT/JP2024/022368
Authority: WO
Inventors: 貴義兒玉; 太吉村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2024-06-20
Filing date: 2024-06-20
Publication date: 2025-12-26
Anticipated expiration: 2026-12-20

Abstract

シリーズハイブリッド車両は、内燃機関（２）によって駆動される発電用モータジェネレータ（１）と、走行用モータジェネレータ（４）と、バッテリ（５）と、を含む。加速が要求されたことで内燃機関（２）による発電が開始されるときに、内燃機関（２）の始動後、バッテリ（５）の出力でもって加速走行を行いつつ、発電用モータジェネレータ（１）の力行によって内燃機関（２）の回転数上昇を行う。バッテリ（５）の出力が最大出力に達した時間（ｔ３）において、発電用モータジェネレータ（１）を力行から回生側に制御する。回転数を予め高めておくことで、内燃機関（２）の出力が速やかに立ち上がる。

Description

内燃機関の加速時制御方法および装置

　この発明は、シリーズハイブリッド車両における発電用内燃機関の加速時の制御に関する。

　シリーズハイブリッド車両は、内燃機関が発電機を駆動して発電した電力をバッテリに一時的に蓄え、走行用モータを駆動して走行する形式であるが、一般に、全開加速のような車両の駆動力が大きく要求されたときには、バッテリ出力のみでは走行用モータが要求する電力を賄うことができず、発電機の出力とバッテリ出力の双方が走行用モータに供給される構成となっている。つまり、車両の加速時には、発電が要求されることで内燃機関が始動し、発電機の出力とバッテリ出力の双方でもって加速に必要な車両駆動力が得られる。

　このような構成において、車両の加速要求に伴って始動して発電機の駆動を開始した内燃機関の出力（これは発電機の発電出力に実質的に相当する）が速やかに立ち上がらないと、車両の加速過程において走行用モータに供給される出力（電力）が過渡的に不足し、所望の加速プロファイルが実現できない、という問題が生じる。特に、内燃機関が冷機状態にある状態から車両の加速が要求されたような場合に、暖機後の本来の出力特性よりも出力の立ち上がりが低くなるため、上記のような現象が生じやすい。

　特許文献１には、内燃機関の出力とモータの出力とを合わせて走行駆動力とするパラレルハイブリッド車両において、内燃機関のターボチャージャの応答遅れいわゆるターボラグを補うようにモータを動作させることが記載されている。

　しかしながら、このような技術をシリーズハイブリッド車両に適用しようとしても、そもそもバッテリ出力に制限のあるシリーズハイブリッド車両においては、内燃機関の出力ひいては発電機の出力が立ち上がらないと、車両の加速性能を高めることはできない。

特開平１１－１４８３８８号公報

　この発明は、シリーズハイブリッド車両において発電機を駆動する発電用の内燃機関の加速時制御方法であって、
　車両の加速が要求されたことで内燃機関による発電が開始されるときに、内燃機関の始動後、バッテリ出力による加速走行を行いつつ、内燃機関の燃焼運転に併せて発電機の力行による内燃機関の回転数上昇を行う。

　比較的高い加速要求があったときに、発電のために内燃機関が始動されるが、初期の段階ではまだバッテリ出力による加速走行が可能である。つまり、アクセル開度が増加して加速が要求されたときに、加速に必要なモータ出力に比較してバッテリ出力にまだ余裕がある段階で内燃機関が始動される。この始動直後から発電機の力行によって内燃機関の回転数上昇が行われる。このように内燃機関の回転数が高くなった状態で発電機を力行から回生つまり発電状態へと制御すれば、内燃機関の高い出力が直ちに得られ、発電機の発電出力が高く得られる。

　内燃機関の始動とともに発電機が力行状態となるが、加速初期は発電機の発電出力に依存せずにバッテリ出力により加速がなされるので、発電出力が得られないことは問題とならない。

　従って、例えば内燃機関が冷機状態にある状態から車両の加速が要求されたような場合でも、所望の加速プロファイルを実現することができる。

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。一実施例の処理の流れを示したフローチャート。車両の加速時における動作を示したタイムチャート。

　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、この発明が適用される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、発電した電力を蓄えるバッテリ５と、を備えて構成されている。なお、図ではギヤ列を介して内燃機関２が発電用モータジェネレータ１を駆動するように描かれているが、ギヤ列を介さずに、内燃機関２と発電用モータジェネレータ１とが等速で回転するように互いに直列に配置された構成（いわゆる直結）であってもよい。

　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踏込に伴うアクセル開度信号（ＡＰＯ）や車速（ＶＳＰ）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。このようなシリーズハイブリッド車両の運転モードとしては、内燃機関２の燃焼運転を伴わずにバッテリ５の電力でもって走行するＥＶモードと、内燃機関２の燃焼運転による発電を行いながら走行を行うＨＥＶモードと、がある。また、ＳＯＣが下限レベル以上であっても、車両の要求駆動力が比較的大きいときには、内燃機関２が駆動され、ＨＥＶモードでの走行となる。従って、内燃機関２は、車両のメインスイッチがオンである間、燃焼運転と燃焼運転停止とを繰り返すことになる。

　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１１を備えた４ストロークサイクルの火花点火式内燃機関（いわゆるガソリン機関）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。なお、燃料噴射弁が吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射型の構成であってもよい。

　また図示例の内燃機関２は、吸気弁１４および排気弁１５について、各々の開閉時期を変更可能な可変バルブタイミング機構１８，１９を備えている。可変バルブタイミング機構１８，１９を具備しない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１１のコンプレッサ１１ａが位置し、このコンプレッサ１１ａよりも上流に、吸入空気量を検出する例えば熱線式のエアフロメータ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１１ａ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１１ａ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１１のタービン１１ｂが位置し、このタービン１１ｂの下流側にそれぞれ三元触媒からなるプリ触媒装置３１とメイン触媒装置３２が配置されている。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１１ｂ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１１ｂ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、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３５を備えており、この排気還流通路３５には、例えば水冷式のＥＧＲガスクーラ３７と、ＥＧＲバルブ３８と、が設けられている。エンジンコントローラ８がＥＧＲバルブ３８の開度を制御することによって、ＥＧＲ率が制御される。

　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、大気圧を検出する大気圧センサ４４、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を介して入力される種々の信号（例えば、上記のアクセル開度ＡＰＯ、車速ＶＳＰ等）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、可変バルブタイミング機構１８，１９の位相、過給圧つまりウェストゲートバルブ３４の開度、ＥＧＲ率、等を最適に制御している。

　次に、運転者がアクセルペダルを比較的大きく踏み込むことで車両の加速が要求されたときの内燃機関２の加速時制御について説明する。初めに、図４のタイムチャートを参照して車両加速時の各部の動作を説明する。図４の（ａ）欄は、運転者に要求された車両の加速度の特性を示している。図示例は、いわゆる全開加速であり、要求加速度が急激に立ち上がっている。タイムチャートの後半では、運転者がアクセル開度ＡＰＯを縮小したことで、要求加速度が低下していく。（ｂ）欄は、車両を駆動する走行用モータジェネレータ４の出力を示している。ここでは、説明の単純化のために、種々の損失や効率は無視して、走行用モータジェネレータ４に供給される電力が走行用モータジェネレータ４の出力（モータ出力）に等価であるとみなしている。（ｂ）欄における特性線ｂ１は、（ａ）欄の要求加速度に対応した要求のモータ出力である。特性線ｂ２は、一実施例において走行用モータジェネレータ４から出力されるモータ出力の特性を示している。特性線ｂ３は、本発明の加速時制御（つまり初期の回転数上昇）を行わない比較例におけるモータ出力を示している。

　（ｃ）欄は、内燃機関２の回転数、換言すれば発電用モータジェネレータ１の回転数を示している。この回転数の特性は、発電用モータジェネレータ１を介して制御される。特性線ｃ１は、一実施例における回転数の特性を示している。特性線ｃ２は、本発明の加速時制御（つまり初期の回転数上昇）を行わない比較例における回転数の特性を示している。一実施例の特性線ｃ１および参考例の特性線ｃ２において、時間ｔ１までの初期の回転数上昇は、内燃機関２を始動させるための発電用モータジェネレータ１の力行によるモータリングを示しており、時間ｔ１において所定の始動用回転数に達し、燃料噴射および点火の開始により内燃機関２の燃焼運転が開始する。比較例ｃ２では、その後、内燃機関２の燃焼運転に伴って回転数が上昇していく。これに対し、実施例の特性線ｃ１では、時間ｔ３まで、内燃機関２の燃焼運転を行いつつ発電用モータジェネレータ１の力行による回転数上昇を行う。より詳しくは、時間ｔ１後の時間ｔ２までは、回転数を徐々に上昇させ、時間ｔ２から時間ｔ３までは一定の回転数を保つ。発電用モータジェネレータ１の力行による回転数上昇は、時間ｔ３において終了する。

　（ｄ）欄は、バッテリ５の出力を示している。これは、基本的にはバッテリ５から走行用モータジェネレータ４へ供給される出力を示しているが、発電用モータジェネレータ１の力行の際に当該発電用モータジェネレータ１に供給される電力も含まれている。特性線ｄ１は一実施例の特性を示し、特性線ｄ２は、本発明の加速時制御（つまり初期の回転数上昇）を行わない比較例の特性を示している。図示例では、加速要求に伴って内燃機関２の始動が要求され、時間ｔ１までの間、発電用モータジェネレータ１の力行によって始動のために内燃機関２がモータリングされている。また、実施例の特性ｄ１では、時間ｔ３まで回転数上昇のための発電用モータジェネレータ１の力行が行われるので、比較例ｄ２に比較してバッテリ出力が大となる。時間ｔ３は、実施例の特性ｄ１において、バッテリ５の出力が最大出力に達するタイミングである。比較例ｄ２では、時間ｔ３よりも僅かに遅れて最大出力となる。最大出力に達した後は、加速終了までバッテリ５の出力はこの最大出力に保たれる。最大出力は、例えばバッテリ５のＳＯＣに基づいて設定される。

　このようにバッテリ５の出力が最大出力となって制限されると、（ｂ）欄の要求モータ出力ｂ１を満たすことができないので、その不足分を内燃機関２の出力つまり発電用モータジェネレータ１の出力でもって補うことになる。

　（ｅ）欄は、発電用モータジェネレータ１を駆動する内燃機関２の出力（エンジン出力）を示している。ここでは、種々の損失や効率は無視して、内燃機関２の出力が発電用モータジェネレータ１の出力（電力）に等価であるとみなしている。（ｅ）欄における特性線ｅ１は、内燃機関２に要求される出力（エンジン要求出力）であり、これは上述したようにバッテリ５の出力が最大出力に達した以降の要求モータ出力ｂ１に対する不足分に相当する。特性線ｅ２は、一実施例において内燃機関２から出力されるエンジン出力（実出力）の特性を示している。特性線ｅ３は、本発明の加速時制御（つまり初期の回転数上昇）を行わない比較例におけるエンジン出力を示している。特性線ｅ２，ｅ３に示されているように、発電用モータジェネレータ１の力行による回転数上昇を行わない比較例では、内燃機関２の出力は、内燃機関２の始動（時間ｔ１）から僅かに遅れて立ち上がり、エンジン要求出力（ｅ１）が生じ始める時間ｔ４よりも早期に発電が開始する。

　（ｆ）欄は、内燃機関２のターボチャージャ１１の回転数を示しており、特性線ｆ１が実施例の特性、特性線ｆ２が参考例の特性である。実施例の特性ｆ１では、（ｃ）欄に示すように内燃機関２の回転数が比較例に比較して高くなっていることで、ターボチャージャ１１の回転数が高くなる。

　図４のタイムチャートに示すように、特に車両の加速が要求されたときに内燃機関２が冷間状態であるような場合に、（ｅ）欄の特性線ｅ３に示すように内燃機関２の出力が要求エンジン出力（ｅ１）よりも低くなることがあり得る。これにより、（ｂ）欄の特性線ｂ３に示すように、走行用モータジェネレータ４のモータ出力が要求のモータ出力（ｂ１）を満たすことができずに、結果として、（ａ）欄に示すような所望の加速プロファイルを実現することができない。

　これに対し、一実施例においては、（ｃ）欄に示すように、内燃機関２の燃焼運転開始とともに発電用モータジェネレータ１の力行による内燃機関２の回転数上昇を行う。これにより、発電開始（時間ｔ３）時点の内燃機関２の回転数が高くなっているとともに、（ｇ）欄に示すようにターボチャージャ１１の回転数が高くなり、（ｅ）欄の特性線ｅ２に示すように発電開始後の内燃機関２の出力が高くなる。これにより、（ｂ）欄の特性線ｂ２に示すように、走行用モータジェネレータ４のモータ出力が高くなり、要求のモータ出力（ｂ１）を満たすことができる。

　ここで、発電用モータジェネレータ１の力行による回転数上昇を行っている間は、当然のことながら、発電出力は得られない。しかし、この期間（時間ｔ１～ｔ３）は、（ｅ）欄の特性線ｅ１に示すように、まだ発電出力が要求されておらず、バッテリ５の出力のみで（ａ）欄の加速要求に沿った加速走行が可能な期間である。従って、最終的な走行用モータジェネレータ４のモータ出力に悪影響を与えることがない。

　時間ｔ３において発電用モータジェネレータ１の力行を含むバッテリ５の出力が最大出力に達したら、発電用モータジェネレータ１の力行による回転数上昇を終了する。

　次に、図３は、上記のような加速時制御の処理の流れを示したフローチャートである。この図３に示すルーチンは、コントローラ６において繰り返し実行される。最初にステップ１において、運転者のアクセルペダル操作によるアクセル開度ＡＰＯや車速ＶＳＰ等に基づき、目標のモータ出力を算出する。次にステップ２において、要求された加速の程度に応じて内燃機関２の始動の要否を決定する。内燃機関２の始動が必要であると判定したら、ステップ３へ進み、内燃機関２を始動する。

　次に、ステップ４において、バッテリ５のＳＯＣを読み込み、ステップ５において、バッテリ５が走行用モータジェネレータ４および発電用モータジェネレータ１（力行の場合）へ供給するバッテリ出力を算出する。前述したように、バッテリ出力が最大出力に達するまでは、バッテリ出力でもって車両の加速走行が行われる。そして、次のステップ６において、内燃機関２に要求される出力（エンジン要求出力）を算出する。これは、要求のモータ出力に対してバッテリ出力では不足する不足分に相当するものとして算出される。

　ステップ７においては、発電用モータジェネレータ１の力行による回転数上昇の許可条件を判定する。具体的には、ターボチャージャ１１を含む排気系の温度が低い条件であるか否かを判別し、この排気系の温度が低い場合に限って回転数上昇を許可する。内燃機関２の始動がそれまでに繰り返されていて十分な暖機状態にあれば、加速に伴う発電要求時の内燃機関２の出力不足は生じにくい。

　他の一つの実施例においては、要求された加速に対し、発電用モータジェネレータ１の力行による回転数上昇を行わない場合の内燃機関２の出力（図４の特性線ｅ３）がエンジン要求出力（図４の特性線ｅ１）を満たすかどうかを予測により判定し、エンジン要求出力を満たさない場合に発電用モータジェネレータ１の力行による内燃機関２の回転数上昇を許可する。

　ステップ７の判定がＹＥＳであれば、ステップ８へ進み、バッテリ出力が最大出力未満であるかどうかを判定する。この判定がＹＥＳであれば、ステップ９へ進み、発電用モータジェネレータ１の力行による内燃機関２の回転数上昇を行う。これにより、図４に示したように、加速の初期に、バッテリ出力でもって加速走行を行いつつ内燃機関２の回転数上昇が行われる。ステップ８の判定がＮＯであれば、ステップ１０へ進み、発電用モータジェネレータ１の力行を終了して回生側に制御する。これにより、発電用モータジェネレータ１による発電が開始される。

　以上、この発明の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、内燃機関２はターボチャージャ１１を備えているが、過給器を具備しない内燃機関であってもこの発明は同様に適用でき、かつ有用である。但し、ターボチャージャを具備する内燃機関の方が、冷間時等における過渡的な出力の不足がより問題となりやすい。

　また、上記実施例では、バッテリ出力が最大出力に達したときに発電用モータジェネレータ１の力行による回転数上昇を終了するようにしているが、この発明は、これに限定されない。この発明においては、バッテリ出力でもって加速走行が行われる加速の初期に発電用モータジェネレータ１を利用して内燃機関２の回転数を予め高めておくことが重要なのであり、その終了のタイミングは重要ではない。内燃機関の始動とともに回転数上昇を開始した後、適当な期間、回転数上昇を行うようにしてもよく、例えば、内燃機関の始動後、所定時間が経過したタイミング、あるいは所定のサイクル数が経過したタイミングに回転数上昇を終了するようにしてもよい。また、上述した時間ｔ３よりも早期となる適当な条件でもって回転数上昇の終了を規定してもよい。

Claims

　シリーズハイブリッド車両において発電機を駆動する発電用の内燃機関の加速時制御方法であって、
　車両の加速が要求されたことで内燃機関による発電が開始されるときに、内燃機関の始動後、バッテリ出力による加速走行を行いつつ、内燃機関の燃焼運転に併せて発電機の力行による内燃機関の回転数上昇を行う、
　内燃機関の加速時制御方法。
　バッテリから出力可能な電力の中で、加速走行に必要な電力を差し引いた余剰の電力でもって上記の内燃機関の回転数上昇を行う、
　請求項１に記載の内燃機関の加速時制御方法。
　バッテリ出力が最大出力に達したときに上記の内燃機関の回転数上昇を終了する、
　請求項１に記載の内燃機関の加速時制御方法。
　上記の内燃機関の回転数上昇を開始してから所定時間が経過したときにこの内燃機関の回転数上昇を終了する、
　請求項１に記載の内燃機関の加速時制御方法。
　車両の走行用モータに要求されるモータ要求出力と、バッテリに要求されるバッテリ要求出力と、から内燃機関に要求されるエンジン要求出力を求め、
　要求された加速に対し、発電機の力行による回転数上昇を行わない場合の内燃機関の出力が上記エンジン要求出力を満たすかどうかを判定し、
　上記エンジン要求出力を満たさない場合に上記内燃機関の回転数上昇を行う、
　請求項１に記載の内燃機関の加速時制御方法。
　上記内燃機関はターボチャージャを備えている、
　請求項１に記載の内燃機関の加速時制御方法。
　車両の加速が要求されたときに、ターボチャージャを含む排気系の温度が低い条件であるか否かを判別し、
　この排気系の温度が低い場合に限って上記内燃機関の回転数上昇を許可する、
　請求項６に記載のハイブリッド車両における内燃機関の加速時制御方法。
　内燃機関の始動が要求されたときに上記発電機の力行によって所定の始動用回転数までモータリングしつつ燃焼運転を開始し、
　燃焼運転開始後に、上記始動用回転数よりも相対的に高い回転数に上記の回転数上昇を行う、
　請求項１に記載の内燃機関の加速時制御方法。
　シリーズハイブリッド車両において発電機を駆動する発電用の内燃機関の加速時制御装置であって、
　車両の加速が要求されたことで内燃機関による発電が開始されるときに、内燃機関の始動後、バッテリ出力による加速走行を行いつつ、内燃機関の燃焼運転に併せて発電機の力行による内燃機関の回転数上昇を行う、
　内燃機関の加速時制御装置。