JP2000045812A - エンジン制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】エンジンと回転電機とからなるシステムの燃費
効率を高める。 【解決手段】エンジン１の要求出力に応じて吸入空気量
を制御するスロットル１２と、排気エネルギにより回転
してエンジンに過給する過給機１５と、過給機１５と一
体に回転すると共にジェネレータ並びにモータとしての
機能を併有する回転電機２１と、エンジンの出力回転を
変速して車輪に伝達する変速機５とを備える。エンジン
１に要求される等出力特性上、システムとして最も燃費
の良い回転数を選択し、かつその回転数から要求トルク
を決定し、選択された回転数を維持するように車速との
関係から変速機５の変速比を決め、かつ要求トルクとな
るように回転電機２１をジェネレータまたはモータとし
て切換え、かつその容量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回転電機付き過給機
を備える内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の過給機を備える内燃機関として特
開平６−４２３５７号公報に開示されたようなものがあ
る。

【０００３】これは全ての過給域において機関の空燃比
を理論空燃比よりもリーン側に設定しておき、リーン空
燃比を用いて過給を行うことで燃費の改善と出力の確保
を狙っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、エンジ
ンにとってはその空燃比において、要求出力を満たすと
きの最良燃費領域が回転数に応じて決まり、単にリーン
側で過給しても、必ずしも常に最良燃費が得られるわけ
ではなかった。つまり、エンジンと過給機とのシステム
として考えると、必ずしも最良の燃費特性にはならなか
った。

【０００５】本発明はこのような問題を解決するために
提案されたもので、エンジンと過給機により駆動される
回転電機とを備えたシステムにおいて、このシステムを
最良燃費域で運転させることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、エンジン
の要求出力に応じて吸入空気量を制御するスロットル
と、排気エネルギにより回転してエンジンに過給する過
給機と、過給機と一体に回転すると共にジェネレータ並
びにモータとしての機能を併有する回転電機と、エンジ
ンの出力回転を変速して車輪に伝達する変速機と、エン
ジンに要求される等出力特性上、エンジンと回転電機と
からなるシステムとして最も燃費の良い回転数を選択
し、かつその回転数から要求トルクを決定し、選択され
た回転数を維持するように車速との関係から変速機の変
速比を決め、かつ要求トルクとなるように前記回転電機
のジェネレータまたはモータとしての切換とその容量を
制御する制御手段とを備える。

【０００７】第２の発明は、第１の発明において、前記
制御手段は回転電機の故障を判定したら、回転電機をニ
ュートラルにすると共に、エンジン等出力特性上、選択
されたエンジンの最良燃費回転数を維持するように変速
機の変速比を決め、かつ要求トルクとなるように前記ス
ロットルの開度を制御する。

【０００８】第３の発明は、第１または第２の発明にお
いて、前記変速機が無段変速機である。

【０００９】

【発明の作用、効果】第１の発明では、エンジンの要求
出力が決まると、この出力特性上において、システムと
して最良の燃費となるエンジン回転数が選択され、この
回転数を維持するように、そのときの車速との関係から
変速比が決まり、同時に出力トルクの変動分について
は、回転電機をジェネレータあるいはモータとして機能
させることより、過給効果を調整し、エンジントルクを
目標トルクに一致させる。すなわち、エンジンと回転電
機とを組み合わせたシステムとして、最良の燃費となる
エンジン回転数が選定され、これが維持されるように制
御される。

【００１０】この結果、システムとして常に最も燃費の
良好な状態で運転することが可能となる。また、回転電
機によりトルクの増減制御を行うことで、その分だけ相
対的にスロットル開度を大きく設定できる領域が広が
り、吸気損失の改善により、燃費の良い運転領域も拡大
される。

【００１１】第２の発明では、回転電機の故障時にもエ
ンジンのみによる最良燃費域で運転することができる。

【００１２】第３の発明では、無段変速機により目標と
する回転数の維持が正確に行え、それだけ燃費の改善が
図れる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００１４】この実施形態は本発明をハイブリッド車両
に適用したもので、図１において、１は燃料の燃焼によ
り出力するエンジンで、エンジン１の出力軸２には電磁
クラッチ３を介してジェネレータ・モータ４が連結し、
ジェネレータ・モータ４の出力側には無段変速機（ＣＶ
Ｔ）５が連結され、この無段変速機５の出力回転が車軸
を介して左右の駆動輪６、６に伝達される。

【００１５】車両の発進時を含む低速、低負荷域ではエ
ンジン１が停止していると共に電磁クラッチ３が遮断さ
れ、ジェネレータ・モータ４が図示しないバッテリから
の電力の供給を受けてモータとして機能し、無段変速機
５を介して駆動輪６を回転させる。また車両の加速時な
ど負荷が大きくなると、エンジン１を起動し、電磁クラ
ッチ３を繋ぎ、エンジン出力とモータ出力によって車両
が駆動される。一方、車両の減速時やバッテリ電圧が低
下したときなど、ジェネレータ・モータ４が車両の慣性
エネルギやエンジン出力により回転駆動され、ジェネレ
ータとして機能して発電し、バッテリに充電する。これ
らの制御は図示しないコントローラによって行われる。

【００１６】図２のように、エンジン１の吸気通路１１
にはモータで回転制御される電制スロットル１２が介装
され、その下流にはターボチャージャ１５で構成された
過給機のコンプレッサ１６が介装され、吸気を過給す
る。ターボチャージャ１５のタービン１７がエンジン１
の排気通路１８に介装され、排気エネルギにより回転
し、コンプレッサ１６を回転駆動する。なお、タービン
１７をバイパスする通路１３が設けられ、ここにはウェ
ストゲートバルブ１４が介装され、排気圧力の過剰増大
時などタービン１７を迂回して排気を流す。

【００１７】タービン１７は回転軸２０を介してコンプ
レッサ１６と連結するが、この途中には、図３にもある
とおり、ジェネレータとモータの機能を兼用する回転電
機２１が取り付けられ、タービン１７の回転と同一の回
転数で回転する。

【００１８】ここで、回転電機２１がモータとして機能
するときは、コンプレッサ１６の回転を上昇させ、過給
効果を高め、エンジントルクを増大させ、またジェネレ
ータとして機能するときは、タービン１７と共にコンプ
レッサ１６の回転が下がり、排気エネルギを吸収しつつ
も、エンジントルクは低下する。なお、回転電機２１が
発生した電力はバッテリ２２に蓄電される。

【００１９】本発明は、この回転電機２１を含めてエン
ジン１がシステムとして、最も燃費効率的に優れた領域
で運転されるように、コントローラ２４によって、回転
電機２１をジェネレータあるいはモータとする機能の切
換と、そのときの発電量またはモータ駆動力の制御を行
い、さらには電制スロットル１２の開度、無段変速機５
の変速比などを制御するものである。

【００２０】エンジンに要求される出力を満たすように
運転する場合、そのうちでもシステムとして最も燃費が
良くなる回転領域があり、この回転領域での運転を維持
すると、燃費的に最良となる。要求出力はトルクと回転
数の積として決まり、したがってその等出力線上で運転
するときに、システムとして最も燃費の良い回転数を選
べばよい。本発明では、この最良燃費回転数とするの
に、コントローラ２４は常にこの回転数を維持するよう
に、無段変速機５の変速比をそのときの車速との関係に
基づいて選び、かつそのときの要求トルクに合わせるた
めに、回転電機２１をモータとしたり、ジェネレータと
したりする制御を行い、トルクを目標値に一致させる。

【００２１】このため、コントローラ２４には運転条件
を代表する信号、バッテリ条件等の検出信号が入力し、
これらに基づいて、次に述べるような制御を行う。

【００２２】以下、この点について述べると、まず、図
４はエンジン１の出力分担を決定するためのフローチャ
ートである。

【００２３】エンジンとジェネレータ・モータの双方に
よって車両を駆動する運転条件にあっては、エンジンは
ジェネレータ・モータとの関係に基づいて出力分担が決
まり、要求出力のうちからジェネレータ・モータの出力
を差し引いた分が、エンジンに要求される出力となる。

【００２４】このため、ステップＳ１ではアクセル開度
などから車両の要求出力を読み込み、ステップＳ２でエ
ンジンとジェネレータモータとの出力の配分を行う。こ
の出力の配分は、車両の要求出力に対して、基本的には
エンジンを所定の出力となるように設定し、不足分につ
いてはモータ出力で補うように設定する。このとき、エ
ンジンの出力はスロットル全開となる程度の出力とする
ことが燃費的には好ましいが、必ずしもこのような配分
に限定されるわけではない。

【００２５】ステップＳ３では、図５のようなフローに
したがって、エンジンのシステムとしての最良燃費運転
条件が決められる。

【００２６】ステップＳ４では決定された運転条件でエ
ンジンの運転が実行され、これらはアクセルペダルがオ
ンである間は継続され（ステップＳ５）、アクセルペダ
ルがオフとなるとステップＳ６に移行してエンジンをス
トップさせる。

【００２７】なお、エンジンの停止時にはジェネレータ
モータによってのみ車両が運転される。

【００２８】図５によって、エンジンの運転制御内容を
説明する。

【００２９】まずステップＳ１では回転電機の故障の判
断を行い、それによってエンジンシステムの制御（エン
ジンと回転電機による制御）か、エンジンのみの制御か
が選択される。回転電機の故障は例えばジェネレータと
して機能させたときの発電中の電流値などから判断でき
る。

【００３０】故障でないときはステップＳ２に進み、そ
のときのエンジン要求出力においてシステムとしての最
良燃費運転条件を選定する。これは図６、図７に示すマ
ップから、そのときの要求出力に応じて、スロットル開
度ＴＨ／Ｃを回転数から選び、かつ最良燃費となるエン
ジン回転数を選択する。

【００３１】マップは必要に応じた最小単位でもって出
力毎に設定され、スロットル開度は吸気抵抗を減ずる意
味から過大出力となる範囲を除き、エンジン回転数の広
い範囲において大開度となるように設定され、また最良
燃費となるエンジン回転数は各出力について予め実験等
により求められる（図１３参照）。

【００３２】そして、ステップＳ３では選定されたエン
ジン回転数とするための、無段変速機の変速比を、その
ときの車速との関係から決定する。

【００３３】ステップＳ４では回転電機目標回転数Ｔ０
を図８のマップから算出する。このマップはトルクと回
転電機回転数との関係を、エンジン回転数毎に割り振っ
たもので、要求されるトルクとなるように回転電機回転
数が決まる。

【００３４】エンジン回転数が一定だとすると、回転電
機の回転数は過給機（ターボチャージャ）のタービン回
転数と一致するため、一定の回転数となる。ただし、こ
のとき回転電機をジェネレータとしたり、モータとする
ことにより、回転電機（過給機）の回転数は変化する。
ジェネレータにすると回転数は低下し、かつ過給効果が
下がるのでエンジントルクは低下し、モータとすると回
転数は上昇し、過給効果が高まるのでトルクは増大する
（図１２参照）。

【００３５】このようにエンジン回転数が一定のとき、
回転電機をジェネレータあるいはモータとしたときの回
転電機の回転数とトルクとの関係を示したのが、図１０
である。

【００３６】なお、図１１に示すように、回転電機をジ
ェネレータとしたときはエンジントルクは低下するが、
発電されるので、エネルギの回生が行われ、逆にモータ
としたとき、トルクが上昇するがバッテリ消費電力は増
える。このとき、排気流量（排気エネルギ）によって回
転電機変化特性（傾き）は相対的に変化する。

【００３７】このようにして要求トルクとなるように回
転電機の回転数を決定したら、ステップＳ５において、
実際の回転電機の回転数Ｔを検出し、ステップＳ６で実
際の回転数Ｔと目標回転数Ｔ０との偏差を求め、偏差が
ΔＴよりも大きいときは、回転電機の回転数Ｔを所定値
ｔだけ下げ、また−ΔＴよりも小さいときは、回転数を
所定値ｔだけ上げる（ステップＳ７、８）。

【００３８】また、偏差がΔＴ以内のときは、ステップ
Ｓ９でそのままの回転数Ｔを維持する。

【００３９】このようにして回転電機の回転数を制御す
ることで、エンジンのトルクを要求値に一致させる。

【００４０】これに対して、ステップＳ１で回転電機の
故障時には、ステップＳ１０に進み、そこではエンジン
だけによる最良燃費での運転域を、前記図６、図７のマ
ップに相当するマップ（ただし図示せず）を参照して決
定する、すなわち、最適なスロットル開度と、エンジン
回転数を選ぶ。そして、ステップＳ１１では常にこのよ
うな回転数が維持されるように、そのときの車速との関
係から無段変速機の変速比を決定して制御する。

【００４１】次に全体的な作用について説明する。

【００４２】図１３にエンジン１の運転領域と燃費特性
の関係を示すが、図示するように、エンジン１の要求出
力が、例えば図のＡＢＣを通る出力特性上にあったとし
て、ここで最良燃費域で運転する場合について説明す
る。

【００４３】この出力特性を得るためには、図６、図７
について、要求出力と同一の出力のマップから、必要と
なるスロットル開度と最良燃費となるエンジン回転数を
選択する。

【００４４】この最良燃費となるエンジン回転数は、図
１３の太線で示すシステムとしての燃費特性線から求め
ると、Ｂ点を通る回転数ｂよりも少し低い回転数、厳密
には図１４のＥ点の回転数となる。

【００４５】ただし、説明の便宜上、最良燃費点から少
しずれた図１３のｂ回転数上におけるＢ点にトルクを制
御する場合を例にして説明する。

【００４６】電制スロットル１２は選択された所定の開
度に保持され、過給機１５による過給が行われるが、こ
のとき回転電機２１をジェネレータでもモータでもない
ニュートラル状態にしたとき、エンジン出力は図のＡ’
Ｂ’Ｃ’を通る特性となるものとする。

【００４７】回転数については、無段変速機５の変速比
の選択により、ｂ回転数となるようにエンジン回転数が
制御される。なお、エンジン回転数が一定でも、変速比
を変えることにより車速は変化するので、変速範囲内で
車速を増加させたり、減少させたりすることができる。

【００４８】このｂ回転数において、トルクは目標値よ
りも大きくなっているため、このトルクをＢ点まで下げ
るのに、回転電機２１を制御する。

【００４９】図８にもあるとおり、そのエンジン回転数
のときに、Ｂ’よりＢまでトルクを下げるのに必要な回
転電機２１の回転数を算出する。図１０にもあるとお
り、回転電機２１はジェネレータとして機能させると、
その負荷によりコンプレッサ１６の回転数が下がり、エ
ンジン１に対する過給性能が減少し、これに伴いエンジ
ントルクは低下する。

【００５０】このようにして回転電機２１の回転数が設
定されると、ジェネレータあるいはモータとしての切換
と、その容量が制御されることにより、目標とする回転
電機２１の回転数となり、これによりエンジントルクが
目標値に一致するようになる。

【００５１】ちなみに、図１３のａ回転数において、Ａ
点までトルクを上げるときは、そのトルク差に相当する
分を、回転電機２１をモータとして機能させて回転数を
上げ、過給効果を高めて、エンジントルクを上昇させる
ことになる。

【００５２】このようにして、エンジン１の要求出力が
決まると、この出力特性上において、システムとして最
良の燃費となるエンジン回転数が選択され、この回転数
を維持するように、そのときの車速との関係から変速比
が決まり、同時に出力トルクの変動分については、回転
電機２１をジェネレータあるいはモータとして機能させ
ることより、過給効果を調整し、エンジントルクを目標
トルクに一致させるのであり、この結果、図１４にも示
すように、エンジン１をシステムとして最も燃費の良好
な状態で運転することが可能となる。

【００５３】また、回転電機２１の故障時には、回転電
機２１をニュートラルとしておき、図１３の細線で示す
燃費特性線から、最も燃費の良い回転数を選択し、その
回転数が維持されるように無段変速機５の変速比を選び
つつ、トルクについては、スロットル開度を調整するこ
とにより制御する。

【００５４】ただし、このエンジンのみの場合には、太
線の燃費特性に比較して等燃費域が狭く、相対的にトル
クの高い領域にずれている。したがって、回転電機２１
を用いての燃費特性の方が、良燃費域が常用領域に近い
低トルク側にあり、かつ領域も広く、それだけ燃費の良
い運転範囲が広がっている。これは、回転電機２１によ
るトルク制御のため、電制スロットル１２を全開とでき
る領域が広がるためで、その分だけ吸気損失が改善され
るからである。したがって、図１４からも、エンジンだ
けのとき比較して、エンジン＋回転電機のシステムの方
が、よりエンジン回転数の広い範囲で燃費が良好となっ
ていることが分かる。

【００５５】なお、エンジン要求出力の小さい運転領域
（アクセル開度の小さい領域）では、スロットルを全開
にして、回転電機によってのみトルクを減少（吸収）し
ようとしても、限界があるので、そのときにはスロット
ル開度は全開よりも小さい値に設定されることになり、
したがって、相対的に低出力側では燃費特性はエンジン
単独の場合に近くなる。

【００５６】また、排気エネルギを回収してさらに燃費
を改善するためには、ウエストゲートバルブ１４を全過
給域において閉じておけばよいが、この場合には、回転
電機の容量もそれだけ大きくする必要がある。

【００５７】なお、スロットル全開の過給域ではエンジ
ン１の燃焼方式を成層燃焼として、空燃比をリーン化す
ることで、なお一層の燃費の改善が図れる。

【００５８】この実施の形態では、本発明をハイブリッ
ド車両に適用したが、これに限らず通常のエンジンによ
ってのみ駆動される車両にも当然に適用でき、また変速
機としては無段変速機に限らず、通常のギヤ付きの自動
変速機も用いることができる。なお、この実施の形態に
限らず、本発明の技術的思想の範囲内において種々の変
更がなしうることは明白である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す全体の概略構成図。

【図２】同じくエンジンの概略構成図。

【図３】ターボチャージャの構成図。

【図４】エンジン運転制御動作のフローチャート。

【図５】回転電機の制御動作のフローチャート。

【図６】エンジン回転数とスロットル開度の説明図。

【図７】エンジン回転数と燃料消費特性の説明図。

【図８】回転電機回転数とトルクの関係を示す説明図。

【図９】回転電機の機能と回転数の関係を示す説明図。

【図１０】エンジン回転数一定のときの回転電機回転数
とトルクの関係を示す説明図。

【図１１】回転電機の機能と電力消費の関係を示す説明
図。

【図１２】回転電機回転数とエンジンシステムのトル
ク、回転電機のトルクとの関係を示す説明図。

【図１３】エンジンシステムとエンジンのみの出力特性
と燃費の関係を比較して示す説明図。

【図１４】エンジンシステムとエンジンのみ燃費特性を
比較して示す説明図である。

【符号の説明】

１ エンジン ５ 無段変速機 １２ 電制スロットル １５ 過給機 １６ コンプレッサ １７ タービン ２１ 回転電機 ２４ コントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 41/02 ３１０ Ｆ０２Ｄ 41/02 ３１０Ｄ ５Ｈ１１１ Ｆ１６Ｈ 61/02 Ｆ１６Ｈ 61/02 // Ｆ１６Ｈ 59:44 Ｆターム(参考） 3D041 AA21 AC03 AC15 AC19 AD10 AD31 AD51 AE00 AE03 AE04 AE31 AE45 AF01 3G005 DA07 DA08 EA04 EA16 EA20 FA37 GA00 GE01 GE09 HA15 HA17 HA19 JA06 JB02 JB11 JB18 JB25 3G093 AA05 AA06 AA07 AA16 AB02 BA18 BA19 DA06 DB05 DB11 DB19 DB20 EA00 EA03 EA09 EB03 EB09 FA10 FB03 3G301 HA11 JA02 LA01 MA01 NC02 ND01 PF01A PF03A PG01A 3J052 AA11 AA14 BA13 CA21 DA02 GC03 GC11 GC46 HA01 HA11 LA01 5H111 AA01 BB06 CC01 CC16 DD01 DD08 DD12 GG17 HB01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの要求出力に応じて吸入空気量を
   制御するスロットルと、 排気エネルギにより回転してエンジンに過給する過給機
   と、 過給機と一体に回転すると共にジェネレータ並びにモー
   タとしての機能を併有する回転電機と、 エンジンの出力回転を変速して車輪に伝達する変速機
   と、 エンジンに要求される等出力特性上、エンジンと回転電
   機とからなるシステムとして最も燃費の良い回転数を選
   択し、かつその回転数から要求トルクを決定し、選択さ
   れた回転数を維持するように車速との関係から変速機の
   変速比を決め、かつ要求トルクとなるように前記回転電
   機のジェネレータまたはモータとしての切換とその容量
   を制御する制御手段とを備えることを特徴とする車両の
   エンジン制御装置。
2. 【請求項２】前記制御手段は回転電機の故障を判定した
   ら、回転電機をニュートラルにすると共に、エンジン等
   出力特性上、選択されたエンジンの最良燃費回転数を維
   持するように変速機の変速比を決め、かつ要求トルクと
   なるように前記スロットルの開度を制御する請求項１に
   記載の車両のエンジン制御装置。
3. 【請求項３】前記変速機が無段変速機である請求項１ま
   たは２に記載の車両のエンジン制御装置。