JP2002242751A - エンジン気筒のピーク圧力を用いたエンジン動作検出 - Google Patents

エンジン気筒のピーク圧力を用いたエンジン動作検出

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ハイブリッド電気自動車における「エンジン
動作」状態を判定する方法及びシステムを提供する。 【解決手段】 制御器は、エンジン20が必要であると判
定し、現在の「エンジン動作」状態をチェックする。エ
ンジン20が現時点で動作していないときには、制御器
は、発電機にエンジンを回す（モータリングする）様に
命令することにより、エンジンを始動する。制御器36は
そして、燃焼を起こすために、エンジン内での燃料の供
給と点火を開始する。計測機器が、エンジンの点火プラ
グのギャップのイオン電流／放電電圧を判定するのに用
いられる。制御器36は、この計測値を受けて、イオン電
流／放電電圧の計測値が校正可能閾値を越えているか否
かを判断する。校正可能閾値を超えている場合には、燃
焼が生じており、エンジンが動作していると判定され
る。制御器は、「エンジン動作」状態フラグを"1"にセ
ットする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概略的には、ハイ
ブリッド電気自動車（Hybrid Electric Vehicle略してH
EV）に関し、より具体的には、エンジン気筒のピーク圧
力を検出して、「エンジン動作（engine on）」を判定
するHEVシステム制御器に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関（Internal Combustion Engine
略してICE）により駆動される自動車などの車両におけ
る化石燃料消費量及び排出量を削減する必要性は、良く
知られている。電気モーターにより駆動される車両は、
この様な必要性に対処するものである。しかしながら、
電気自動車は、走行可能距離及び最高出力が限られてお
り、バッテリーを充電するのに、かなりの時間を必要と
する。それに代わる解決策として、ICE及び電気推進モ
ーターの両方を一つの車両に組合わせるというものがあ
る。その様な車両は、一般的にハイブリッド電気自動車
（Hybrid ElectricVehicle）と呼ばれており、その概略
が、米国特許5,343,970号に開示されている。
【０００３】HEVについては、種々の構成が公知となっ
ている。多くのHEVの特許は、運転者が電気作動と内燃
機関の作動との間で選択することを求められるシステム
を開示している。他の構成においては、電気モーターが
一組の車輪を駆動し、ICEが別の組を駆動している。
【０００４】他のより有用な、構成が開発されてきてい
る。例えば、シリーズ・ハイブリッド電気自動車（Seri
es Hybrid Electric Vehicle略してSHEV）構成は、発電
機と呼ばれる電気モーターに接続されるエンジン（最も
一般的にはICE）を持つ車両である。そして発電機が、
電力を、バッテリー及び推進モーターと呼ばれる別のモ
ーターへ供給する。SHEVにおいては、推進モーターが、
車輪トルクの唯一の供給源である。エンジンと駆動輪と
の間には機械的な結合はない。パラレル・ハイブリッド
電気自動車（Parallel Hybrid Electrical Vehicle略し
てPHEV）の構成は、車両を駆動するために必要な車輪ト
ルクを共に供給するエンジン（最も一般的にはICE）及
び電気モーターを持つものである。加えて、PHEV構成に
おいては、モーターをICEが発生する動力によりバッテ
リーを充電するための発電機として用いることが出来
る。
【０００５】パラレル／シリーズ・ハイブリッド電気自
動車（Parallel/Series Hybrid Electric Vehicle略し
てPSHEV）は、PHEVとSHEVの両方の構成の特徴を持ち、
「パワースプリット（power split）」構成として知ら
れるのが一般的である。PSHEVにおいては、ICEは遊星歯
車機構トランスアクスルの２つの電気モーターへ、機械
的に結合される。発電機である第１の電気モーターが、
サンギアに接続される。ICEは、キャリアに接続され
る。推進モーターである第２電気モーターが、トランス
アクスル内の別の歯車を介して、リング（出力）ギアに
接続される。エンジントルクは、バッテリーを充電する
ために発電機を駆動する。発電機は、必要とされる車輪
（出力軸）トルクにも寄与することが出来る。推進モー
ターは、もし再生制動システムが用いられれば、車輪ト
ルクに寄与すると共に、バッテリーを充電するために制
動エネルギーを回収するのに用いられる。
【０００６】ICEを電気モーターと組合せることの望ま
しさは、明らかである。ICEの燃料消費量及び排出量
が、車両の性能又は走行距離を犠牲にすることなしに、
削減されるということである。それはともかくとして、
HEVの動作を最適化するのに取組むべき領域が、まだ残
っている。
【０００７】開発の余地がある領域の一つは、エンジン
が動作中であるか否かを判定することである。一般的な
車両において、「エンジン動作（engine on）」状態
は、実際のエンジン速度を、エンジンがトルクを発生
し、燃焼していることを示す閾値と比較することによ
り、「キー・オン（key on）」後に容易に判定すること
が出来る。それはまた、単純にエンジン騒音を聞く又は
エンジン振動を感知することにより、判定することが出
来る。しかしながら、HEVにおいては、「キー・オン」
後にエンジンが動いていない可能性があり、時には車両
が動いているときでさえも、エンジンが動いていないこ
ともある。それで、車両システム制御器（Vehicle Syst
em Controller略してVSC）は、パワートレインのトルク
を判定する前に、「エンジン動作」状態を特定する必要
が出てくる。
【０００８】従来技術は、「エンジン動作」状態を判定
する方法を開示している。不幸なことに、この様な方法
は、具体的には一般的なICE車両に関連したものである
場合が多い。例えば、米国特許5,372,101号において
は、エンジンが始動つまり動作しているかを判定するた
めに、エンジン速度が計測される。この方法は、HEVの
発電機が燃焼の発生無しにエンジンを回すことが出来る
ので、HEVにおいてはうまく機能しない。それで、この
状況におけるエンジン速度は、HEVにおける「エンジン
動作」状態の信頼性のある計測値とはならない。
【０００９】エンジンが動作していることを判定するも
のとして、米国特許5,601,058号には、スターター・モ
ーターの電流を計測することが開示されており、米国特
許6,009,369号には、オルタネーターの電圧を計測する
方法が開示されている。これら２つの方法は、HEVが一
般的なスターター・モーター又はオルタネーターを用い
るものではないので、HEVには適用することが出来な
い。
【００１０】HEVにおいて「エンジン動作」状態を判定
する解決策の一つに、従来技術において公知のエンジン
気筒のピーク圧力の計測値を用いるものがある。イオン
電流／放電電圧は、燃焼室内の気体の密度と気筒内の圧
力に関連している。気体の密度は、他のセンサーを用い
てパワートレイン制御器が検出しているスロットルの位
置により制御される。それで、気筒内のピーク圧力は、
（密度が大まかに知られていると仮定すると）温度だけ
の関数となり、燃焼が生じると、温度は大幅に上昇す
る。全ての気筒についてパワートレイン制御器がこの温
度及び圧力が急上昇していると結論付ければ、エンジン
はそれ自身の動力の下に「動作している」と考えること
が出来る。
【００１１】この一般的な相関関係について論じたいく
つかの論文がある。例えば、"A.A. Martychenko, et a
l., A Study on the Possibility of Estimation of In
-Cylinder Pressure by Means of Measurement of Spar
k Gap Breakdown Voltage, SAE1999-01-1115 (199
9)"、" J. Forster, et al., Ion Current Sensing For
Spark Ignition Engines, SAE 1999-01-0204 (1999)"
及び" S. Yuichi, et al., Spark Plug Voltage Analys
is for Monitoring Combustion in an Internal Combus
tion Engine, Journal of the Society of Automotive
Engineers of Japan V 47, pp. 32 (1993)"がある。
【００１２】Martychenkoは、どの様にして、二次点火
電圧を用いて気筒のピーク圧力を推測するかを述べたも
のである。各気筒用点火プラグのギャップの放電電圧を
監視する回路が、パワートレイン制御モジュール（powe
rtrain control module略してPCM）に設けられている。
PCMは、計測されたピーク放電電圧を、安定した燃焼が
生じていることを表す所定の値と比較する。その時点
で、PCMは、エンジンが本当に「始動」したことを示す
ソフトウェア・フラグをセットする。Martychenkoはま
た、点火プラグのギャップにおけるイオン電流に基づ
き、気筒内圧力を判定する同様の方法について、記述し
ている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】イオン電流／放電電圧
については公知であるものの、これらの論文は、HEVに
おいてエンジンが動作しており燃焼が生じているか否か
を判定するために、上記相関関係を車両システム制御器
の制御ロジックに組込むものではない。
【００１４】
【課題を解決するための手段】従って、本発明は、HEV
において、「エンジン動作」状態を判定する方法及びシ
ステムを提供するものである。
【００１５】HEVは、発電機が、エンジンを回転（モー
タリング）させることに依拠している。それで、エンジ
ンが動作しているか否かを判定するために、エンジン速
度を計測することは不可能である。本発明は、HEVのエ
ンジンにおいて、イオン電流／放電電圧を用いて、エン
ジン気筒のピーク電圧を計測することにより、HEVにお
ける「エンジン動作」状態を判定する方法及び装置を提
供するものである。イオン電流／放電電圧がある閾値に
到達すると、車両システム制御器は、燃焼が生じてお
り、エンジンが動作していると、結論付けることにな
る。
【００１６】本発明は、エンジン内で点火プラグ内のイ
オン電流／放電電圧を計測することにより、「エンジン
動作」状態を判定する信頼性の高い方法を提供する。計
測されたイオン電流／放電電圧は、校正可能閾値と比較
される。イオン電流／放電電圧が、校正可能閾値を越え
ると、エンジン内で燃焼が生じており、エンジンが動作
している。VSCがエンジン動作中と判定すると、VSCはエ
ンジンにトルクを要求することが出来る。
【００１７】上記方法を実行するシステムは、制御器、
発電機、エンジン及び、イオン電流／放電電圧を判定す
る計測機器、を有する。制御器は、エンジンが動作する
必要性を判定し、エンジンを始動し、そしてイオン電流
／放電電圧を校正可能閾値と比較することにより、「エ
ンジン動作中」と判定する。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明は、電気自動車、より具体
的には、ハイブリッド電気自動車（HEV）に関する。図
１は、可能な構成の一つ、具体的には、パラレル／シリ
ーズ・ハイブリッド電気自動車（パワースプリット）の
構成を示している。このHEVの構成において、遊星歯車
機構26は、キャリア歯車を、ワンウェイ・クラッチ45を
介して、エンジン20へと機械的に結合する。遊星歯車機
構26はまた、サンギアを発電機モーター24へ、そしてリ
ング（出力）ギアを推進モーター30へ、機械的に結合す
る。発電機モーター24はまた、発電機ブレーキ22に機械
的に接続しており、そしてバッテリー28へ電気的に接続
している。推進モーター30は、第２歯車機構32を介して
遊星歯車機構26のリング・ギアに機械的に結合されると
共に、バッテリー28へ電気的に接続される。遊星歯車機
構26のリング・ギアは、出力軸33を介して、駆動輪34に
機械的に結合される。
【００１９】遊星歯車機構26は、エンジン20の出力エネ
ルギーを、エンジン20から発電機モーター24へのシリー
ズ経路及び、エンジン20から駆動輪34へのパラレル経路
へ、分離する。エンジン20の速度は、パラレル経路を介
しての機械的結合を維持しながら、シリーズ経路への分
離度合を変更することにより、制御することが出来る。
推進モーター30は、第２歯車機構32を介してパラレル経
路上で駆動輪34へのエンジン20の動力を補助するもので
ある。推進モーター30はまた、シリーズ経路から直接エ
ネルギーを用いる場合があり、これは、本質的には、発
電機モーター24が発生する電力を用いるもので、これに
より、エネルギーをバッテリー28内の化学的エネルギー
との間で変換する際の損失を低減する。
【００２０】車両システム制御器（Vehicle System Con
troller略してVSC）36が、この構成における多くの構成
部品を制御する。VSC 36は、各部品の制御器に接続する
ことにより、車両の主な構成部品の全てを動作させるも
のである。この実施形態において、VSC 36はまた、パワ
ートレイン制御モジュール（Powertrain Control Modul
e略してPCM）を持つものである。VSC及びPCMは、この実
施形態では同じユニットに収容されているものの、実際
には別個の制御器であり、それぞれのモジュールへ収容
することも出来る。
【００２１】VSC 36は、配線インターフェースを介して
エンジン20へ接続する。VSC 36はまた、バッテリー制御
ユニット（Battery Control Unit略してBCU）38に接続
され、通信ネットワーク（例えば制御器領域ネットワー
ク- Controller Area Network略してCAN）を介して、ト
ランスアクスル管理ユニット（Transaxle ManagementUn
it略してTMU）40に接続される。BCU 38はそして、配線
インターフェースを介して、バッテリー28に接続され
る。TMU 40は、配線インターフェースを介して、発電機
モーター24及び推進モーター30を制御する。
【００２２】VSC 36は、駆動輪34又は出力軸33への要求
トルクを判定し、エンジン20及びモーター30への適切な
トルク要求を行う。駆動輪34又は出力軸33への所望のト
ルクの送給にエンジン20を含ませるには、エンジンが動
作中であり、燃焼しているということが要求される。そ
れで、VSC 36は、トルク要求がなされる前に、エンジン
20が動作中で燃焼しているか否かを知らなければならな
い。エンジン20が常に動作中ではないので、「エンジン
動作」状態を判定する方法が必要とされる。
【００２３】本発明は、この必要性に対して向けられた
ものであり、VSC 36に、それがトルク要求をする前に、
「エンジン動作」状態を判定する方法を、提供するもの
である。図２は、どの様にして、VSC 36が「エンジン動
作」状態を判定するかを示すフローチャートである。ス
テップ60において、VSC 36は、エンジン20が必要とされ
ていると判定する。
【００２４】ステップ62において、VSC 36は、それのロ
ジックにおける「エンジン動作」状態フラグをチェック
する。フラグが"1"にセットされている場合、エンジン2
0は既に動作中であり、VSCはステップ76へ進み、必要な
機能を実行することが出来る。「エンジン動作」フラグ
が"0"にセットされて、エンジン20が動作していないこ
とを示している場合、VSC 36は処理を進める前に、エン
ジン20を始動しなければならない。
【００２５】ステップ64において、VSC 36は、発電機モ
ーター24に、エンジン20を回転（一般的には「モータリ
ング」と呼ばれる）する様に命令する。VSC 36はそし
て、エンジン20の燃焼を起こすために、ステップ66にお
いて、エンジン20の燃料供給及び点火を開始する。ステ
ップ68において、VSC36は、点火プラグのギャップにお
けるイオン電流／放電電圧を計測する。
【００２６】イオン電流／放電電圧が計測された後で、
VSC 36はステップ70において、その計測値が、エンジン
20が始動していて、燃焼しているか否かを判定する。イ
オン電流／放電電圧が、校正可能閾値に合致していると
きには、燃焼が起きていると考えられ、エンジン20は
「動作」していると、判断される。具体的には、イオン
電流／放電電圧は、温度、圧力及び燃焼室内のガスの密
度に応じたものである。放電電圧計測値、気筒内圧力そ
して燃焼の間には、強い相関関係が存在する。閾値レベ
ルのイオン電流／放電電圧を計測することは、エンジン
20内の燃焼と、相関関係を持つ。
【００２７】イオン電流／放電電圧が、閾値の基準を満
たしている場合に、VSC 36は、ステップ72において、燃
焼が生じていると判定し、「エンジン動作」フラグを"
1"にセットする。VSCは、駆動輪34又は出力軸33への所
望のトルク要求の一部をエンジン及び電気モーターへと
分割するステップ76において、その通常の必要とされる
機能を実行する。
【００２８】ステップ70において、イオン電流／放電電
圧が要求された閾値に合わないときは、ステップ78にお
いて、VSC 36の故障診断が、発電機の故障の様な何らか
の問題が存在するか否かを判定する。問題が検出されな
かった場合には、VSC 36は、ステップ64へ戻ることによ
り、引続きエンジン20の始動を試みる。問題が検出され
た場合には、VSC 36は、ステップ80において、その適切
な処理を実行する。
【００２９】
【発明の効果】以上述べた様に本発明によれば、エンジ
ン気筒の圧力ピークとエンジン動作との相関関係を車両
システム制御器の制御ロジックに組み込むことにより、
ハイブリッド電気自動車においてエンジンが動作してお
り燃焼が生じていることを判定することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハイブリッド電気自動車の構成を示す概略図で
ある。
【図２】制御過程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
20 エンジン 36 制御器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デービッド リー ボグス アメリカ合衆国 ミシガン州 48302，ブ ルームフィールド ヒルズ ケレン レー ン 5286 (72)発明者 スティーブン リチャード バーク アメリカ合衆国 ミシガン州 48328，ウ ォーターフォード サウス ロズリン ロ ード 132 (72)発明者 スティーブン ジョン コトレ アメリカ合衆国 ミシガン州 48104，ア ン アーバー アンダーソン カウンティ 2011 Ｆターム(参考） 3G019 CD01 GA15 GA16 KA21 KA25 KD17 3G084 BA01 DA27 EB06 FA19 3G093 AA07 BA24 BA27 DA12 EC02

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 エンジン気筒のピーク圧力を検出する工
    程、及びエンジンの燃焼が起こっているか否かを判定す
    るために、エンジン気筒のピーク圧力を校正可能閾値と
    比較する工程、 を有する、車両のエンジン動作状態を判定する方法。
  2. 【請求項２】 上記エンジン気筒のピーク圧力を計測す
    る工程は、点火プラグのイオン電流／放電電圧を計測す
    る工程を有する、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 上記エンジン気筒のピーク圧力を計測す
    る工程は、二次のエンジン電圧を計測する工程、を有す
    る、請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 上記車両は、ハイブリッド電気自動車で
    ある、請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 制御器が、計測されたイオン電流／放電
    電圧を受けて、該計測されたイオン電流／放電電圧を校
    正可能閾値と比較する、請求項２記載の方法。
  6. 【請求項６】 計測されたエンジン気筒のピーク圧力
    が、校正可能閾値を越えるときに、エンジン動作状態フ
    ラグをセットする工程、を更に有する、請求項１記載の
    方法。
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