JP2005351184A - インタークーラパイパス制御手段を備えたハイブリッド車 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリット車に於ける過給機とインタークーラによる内燃機関の吸気過給システムについて、燃費と排ガス性状を改善する観点から有効な制御を取り入れる。
【解決手段】内燃機関に過給機とインタークーラが設けられているハイブリッド車に於いて、車輌の運行中、内燃機関を始動させる制御信号に基づいて内燃機関が始動されるとき、同制御信号に基づいてインタークーラをバイパスして吸気を導くバイパス通路が開かれるようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、車輌駆動用動力源して内燃機関と電動機とを備えたハイブリット車に係り、特にその過給に関連した吸気制御に係る。

内燃機関の出力を高めるため吸気を過給することは、車輌用内燃機関に於いて古くから知られまた実施されており、また過給により加圧され温度が上昇した吸気がより高い充填率にて内燃機関のシリンダ内へ充填されるよう、過給機にて加圧された吸気を内燃機関のシリンダへの送給に先立ってインタークーラにて冷却することも知られまた実施されている。しかし、個別に閉じた動力システムを構成する自動車の如き車輌に於いては、過給機は過給を受ける内燃機関それ自身の排気により作動する排気タービンにより駆動されざるを得ず、またインタークーラは吸気の流れにとってかなりの抵抗になるので、過給式内燃機関では、機関の出力を上げようとするときその立ち上がりが遅れるという問題がある。

かかる過給式内燃機関の出力立ち上がりを改善することについては、インタークーラをバイパスする吸気通路を設け、過給機出口圧力が所定値以上に達するまではインタークーラをバイパスして吸気を送ることが下記の特許文献１、２および３に記載されている。このうち特許文献２および３には、更に、インタークーラの要否は本来過給機にて加圧され昇温する吸気の温度の如何によるものであるが、過給機出口の吸気温度の検出より過給機出口の吸気圧力の検出の方が変化に対し迅速に追従できるので、過給機出口の吸気圧力が所定値まで上昇したか否かを検出してインタークーラのバイパスを解除することが記載されている。また、下記の特許文献４、５および６には、加速時等にインタークーラの流れ抵抗により内燃機関の出力上昇が遅れることに対処し、過給圧が所定値以上のときインタークーラをバイパスさせることが記載されている。このうち特許文献４には、更にインタークーラのバイパス中にインタークーラ内の圧力が低下することによりバイパスを閉じたとき過給圧が一時急落することのないよう、インタークーラのバイパス中、少量の吸気をインタークーラに流すことが提案されている。
実開平３-７１１３４ 実公平３-４３３８２ 特開平６-２１２９８０ 実公平７-３４１７５ 特開２００２-１４７２４４ 特開２００３-１２９８５１

上記の各特許文献に於いて対象とされているものは、内燃機関を唯一の車輌駆動源とする旧来の自動車であり、内燃機関の始動は車輌の運行開始時に一度行われるだけであるので、機関始動の迅速化はさしたる問題ではなく、その発明または考案が目指すところは、内燃機関の運転中に行われる出力増大の迅速化である。一方、車輌駆動用動力源として内燃機関と電動機とを備えるハイブリッド車に於いては、内燃機関の始動が頻繁に行われ、しかも、それは車輌の運行中であって内燃機関を作動させていない車輌の運行中に行われるので、インタークーラが設けられている場合、車輌運行中の機関始動の際には、インタークーラは車輌の走行風によりよく冷えているという状態にあり、機関始動に当って吸気が最初からインタークーラに通されると、当初は吸気が不必要に冷やされ過ぎて機関の始動にとって好ましくなく、特に希薄燃焼式内燃機関ではその悪影響が大きいことが考えられる。

本発明は、吸気インタークーラに関し、ハイブリッド車には旧来車に対比して上記の如き特異な事情があることに鑑み、ハイブリッド車に適した吸気インタークーラの制御を行うことにより、過給式ハイブリット車の燃費を更に改善し、また機関始動時の排気中への未燃成分の排出をよりよく抑制することを課題としている。

上記の課題を解決するものとして、本発明は、車輌駆動用動力源として内燃機関と電動機とを備え、前記内燃機関には過給機と該過給機により加圧された吸気を冷却するインタークーラとが設けられているハイブリッド車にして、車輌の運行中、前記内燃機関を始動させる制御信号に基づいて前記インタークーラをバイパスして吸気を導くバイパス通路が開かれるようになっていることを特徴とするハイブリット車を提案するものである。

上記の如きハイブリット車において、前記バイパス通路は内燃機関の始動後、吸気流量が所定の空燃比、例えば理論空燃比より高く有害成分の排出を低減することができる空燃比、に対応する値に達するまで、或はその排気系に設けられた排気浄化触媒が所定の暖機温度に達するまで、開かれるようになっていてよい。また、前記バイパス通路は内燃機関の始動後過給機の出口と内燃機関の吸気マニホールド内の吸気圧力の差が所定値以下となるようバイパス制御弁により制御されるようになっていてよい。

車輌駆動用動力源として内燃機関と電動機とを備えたハイブリッド車においては、車輌の運行中、道路状態、交通状況、気温等の環境条件および車速やバッテリ充電状態等に応じて、随時内燃機関を運転しまたは停止させることが、電子式車輌運転制御装置の制御判断により繰り返し行われる。そこで、ハイブリット車の内燃機関に過給機と該過給機により加圧された吸気を冷却するインタークーラとが設けられているとき、そのような電子式車輌運転制御装置の制御判断により車輌の運行中に内燃機関の運転を開始させるとき、その制御信号に基づいてインタークーラをバイパスして吸気を導くバイパス通路が開かれるようになっていれば、旧来車に比して遥かに高い頻度にて機関始動が繰り返され、しかも内燃機関を停止した状態で電動走行されることによりインタークーラが走行風により冷やされきった状態で行われるハイブリッド車の機関始動時に、吸気がインタークーラにより無用に冷却されることによる熱損失を回避し、ハイブリッド車の燃費を改善すると同時に機関始動時の排気中への未燃成分の排出をよりよく抑制することができる。

ハイブリッド車においては、燃費性能が車輌の総合的性能の評価上重要な要件の一つであることから、内燃機関の運転は通常比較的高く且つ狭い空燃比の範囲にて行われるが、そのような比較的高く且つ狭い範囲に限られた空燃比での内燃機関の運転を可能にするためには或る最低吸気流量が必要である。内燃機関の始動後、吸気流量がそのような所定の最低吸気流量に達するまで前記バイパス通路が開かれるようになっていれば、より早く吸気流量をそこまで立ち上げることができ、それだけ燃費改善の効果を高めることができる。

またハイブリッド車の排気系には通常排気浄化触媒が設けられているが、機関始動に際して開かれた前記バイパス通路が、内燃機関の始動後、排気浄化触媒が所定の暖機温度に達するまで開かれるようになっていれば、インタークーラをバイパスして吸気を導くことにより同じ量の燃料の消費に対しても排気温度を高めて排気浄化触媒の暖機を早めることができる。また、ハイブリッド車では、電動走行中にも排気浄化触媒の暖機のため内燃機関が適時運転されるようになっていてよいが、そのような場合、機関始動に際して開かれた上記のバイパス通路を排気浄化触媒が所定の暖機温度に達するまでそのまま開いた状態に維持してやれば、排気浄化触媒の暖機のための機関運転の効果をより一層高めることができる。

また、前記バイパス通路が、内燃機関の始動後、過給機の出口と内燃機関の吸気マニホールド内の吸気圧力の差が所定値以下となるようバイパス制御弁により制御されるようになっていれば、内燃機関の始動に当ってはバイパス制御弁を全開とすることにより吸気が冷えたインタークーラにより不必要に冷却されることを回避した上で、一旦内燃機関が始動された後では、過給機出口と吸気マニホールド内の吸気圧力の差を参照しつつバイパス制御弁によりインタークーラのパイパス度を適宜変更することができる。

図１は本発明を適用したハイブリッド車の車輌駆動装置の一例を示す概略図である。図に於いて、１０は内燃機関のシリンダブロックであり、シリンダ、ピストン、吸気弁、排気弁、燃料噴射装置、点火装置等が組み込まれており、発生された回転動力がクランクシャフト１２に出力されるようになっている。吸気弁および排気弁の開閉時期や開閉量は吸排気弁作動装置１４により制御される。シリンダブロックの一方の側に沿って設けられた吸気マニホールド１６には、エアクリーナ１８より導管２０を経てコンプレッサ２２へ導かれ、ここで加圧された空気が、常時は導管２４を経てインタークーラ２６へ通され、ここで冷却された後、パイパス制御弁２８および吸気絞り弁３０を経て供給されるようになっている。更に、この吸気系には、コンプレッサ２２を出た空気を、インタークーラ２６をバイパスしてパイパス制御弁２８へ導くパイパス導管３２が設けられており、パイパス制御弁２８の切換制御により、コンプレッサ２２の出口より吸気絞り弁３０に至る吸気の流れは、インタークーラ２６を通る流れと、これをバイパスする流れとの間に切り換えられるようになっている。

シリンダブロック１０内にて発生した排ガスは、排気マニホールド３４により集められ、排気管３６により排気タービン３８へ導かれる。排気タービン３８は軸４０を経てコンプレッサ２２を駆動するようになっている。排気タービン３８を駆動した排ガスは、三元触媒４２、リーンＮＯｘ触媒４４等の排気浄化触媒装置を通り、排気絞り弁４６の制御の下にマフラ４８を経て大気へ排出される。５０は排気ガス再循環（ＥＧＲ）制御弁であり，排気マニホールド３４より導管５２を経て取り入れた排ガスを導管５４を経て吸気マニホールド１６へ再循環させるようになっている。

クランクシャフト１２は遊星歯車装置等の動力分割装置５６を経て発電機５８を駆動すると共に、歯車６０、６２、差動歯車装置６４の如き動力伝達機構を経て一対の車輪６６を駆動するようになっている。歯車６０には更に電動機６８が連結されている。電動機６８はバッテリ７０よりインバータ７２を経て供給される電力により作動されるようになっており、また発電機５８が発電した電力はインバータ７２を経てバッテリ７０を充電するようになっている。

７４はマイクロコンピュータを備えた電子式車輌運転制御装置（ＥＣＵ）であり、図には示されていないスロットルセンサからのアクセルペダル踏み込みに関する情報、ブレーキセンサからのブレーキペダル踏み込みに関する情報の外に、コンプレッサ出口圧力センサ７６にて検出されたコンプレッサ出口の吸気圧力、吸気マニホールド内圧力センサ７８より検出された吸気マニホールド内吸気圧力、吸気温度センサ８０にて検出された吸気マニホールド内吸気温度、冷却水温度センサ８２にて検出された機関冷却水の温度，機関回転速度センサ８４にて検出された機関回転速度、空燃比センサ８６にて検出された空燃比、ＮＯｘ濃度センサ８８にて検出された排気マニホールド出口のＮＯｘ濃度、排気温度センサ９０にて検出された排気タービン３８の出口に於ける排ガス温度、三元触媒温度センサ９２にて検出された三元触媒の温度、酸素濃度センサ９４にて検出された三元触媒出口の酸素濃度、ＴＨＣ濃度センサまたはＣＯ濃度センサ９６にて検出された三元触媒出口のＴＨＣまたはＣＯの濃度、リーンＮＯｘ触媒温度センサ９８にて検出されたリーンＮＯｘ触媒の温度、ＮＯｘ濃度センサ１００にて検出されたリーンＮＯｘ触媒出口のＮＯｘ濃度、バッテリ充電状態センサ１０２により検出されたバッテリの充電状態、発電機回転速度センサ１０４により検出された発電機５８の回転速度、電動機回転速度センサ１０６により検出された電動機５８の回転速度、車速センサ１０８にて検出された車速等に関する情報を与えられ、そこに組み込まれた制御プログラムに従って種々の制御演算を行い、吸排気弁作動装置１４、吸気絞り弁３０、電動機６８、発電機５８、パイパス制御弁２８を制御し、運転者からの運転指令を自動的に補って車輌のハイブリット運転を総合的に制御する。

そのような電子車輌運転制御装置７４による車輌の総合的ハイブリッド制御のうち、特に本発明により行われる機関運転制御の一つの実施の形態が、図２にその制御ステップを示すフローチャートの形にて示されている。かかるフローチャートに従った制御は、ハイブリッド車の始動スイッチが閉じられ、その運行が開始されると同時に電子式車輌運転制御装置７４により開始され且つ車輌の運行中数十〜数百ミリセカンドの周期にて繰返し行われる車輌総合運転制御の一環として行われる。

各回の制御が開始されると、そのときの車輌の運行状況により、ステップ１０にて機関を始動すべきか否かが判断される。答がノーであれば、その回の制御はそれにて終了するが、答がイエスであれば制御はステップ２０へ進み、バイパス制御弁２８が全開とされ、コンプレッサ２２の出口より吸気はバイパス導管３２を経て吸気絞り弁３０へ流れるようにされる。

次いで、制御はステップ３０へ進み、その時の外気温度、機関温度、触媒温度等から内燃機関を運転すべき空燃比とその空燃比に対応する吸気流量Ｑaminが算出される。この空燃比は理論空燃比より高く有害成分の排出を低減することができる空燃比とされてよい。

次いで、制御はステップ４０へ進み、吸気制御弁や燃料噴射弁を機関のクランキング始動に適した作動状態に設定するクランキング設定が行われ、次いで制御はステップ５０へ進み、クランキングが行われる。クランキング開始後は、ステップ６０にて機関回転速度Ｎeが機関の自爆開始を示す所定の回転速度Ｎsを越えたか否かがチェックされ、答がイエスに至るまでクランキングが続けられる。機関の自爆が始まり、ステップ６０の答がイエスになると制御はステップ７０へ進み、クランキング設定が解除される。

その後、制御はステップ８０へ進み、コンプレッサ出口圧力センサ７６により検出されるコンプレッサ出口吸気圧力と吸気マニホールド内圧力センサ７８により検出される吸気マニホールド内吸気圧力との差が所定値以下となるようバイパス制御弁が制御される。次いで、制御はステップ９０へ進み、コンプレッサ出口圧力センサ７６および吸気マニホールド内圧力センサ７８の検出値と吸気絞り弁３０の開度等から求まる機関への吸気流量Ｑaが、ステップ３０にて算出された吸気流量Ｑaminを越えたか否かが判断される。答がノーである間、制御はステップ１００へ進み、自爆立上げ空燃比による燃料供給制御が続けられるが、答がイエスに転ずると、制御はステップ１１０へ進み、燃料供給制御はステップ３０にて算出された空燃比に基づく制御とされ、更にステップ１２０にてバイパス制御弁２８が全閉とされる。

図３は、本発明により行われる機関運転制御の他の一つの実施の形態を示す図２と同様のフローチャートである。図３のフローチャートに於いて、図２のフローチャートで於けるステップに対応するステップには、図２に於けると同じステップ番号が付されている。

この実施の形態に於いては、ステップ１０〜１２０は図２のフローチャートに於けるステップ１０〜１２０と同様に実行されるが、ステップ１１５が追加されている。この場合、ステップ１１５に於いて予定された触媒の暖機が完了したか否かが判断され、答がノーである間、そのまま触媒暖機のための機関運転が続けられる。そして触媒の暖機が終了すると、制御はステップ１２０へ進み、パイパス制御弁２８が全閉とされ、一回の制御が終了する。尚、この実施の形態に於いては、ステップ１０に於ける機関始動の判断に、機関を触媒暖機のためのみに始動するか否かの判断が含まれてよい。

以上に説明した本発明の実施の形態について、本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

本発明を適用したハイブリッド車の車輌駆動装置の一例を示す概略図。 本発明により行われるハイブリッド車の機関運転制御一つの実施の形態を示すフローチャート。 本発明により行われるハイブリッド車の機関運転制御の他の一つの実施の形態を示すフローチャート。

符号の説明

１０…内燃機関のシリンダブロック、１２…クランクシャフト、１４…吸排気弁作動装置、１６…吸気マニホールド、１８…エアクリーナ、２０…導管、２２…コンプレッサ、２４…導管、２６…インタークーラ、２８…パイパス制御弁、３０…吸気絞り弁、３２…パイパス導管、３４…排気マニホールド、３６…排気管、３８…排気タービン、４０…軸、４２…三元触媒、４４…リーンＮＯｘ触媒、４６…排気絞り弁、４８…マフラ、５０…排気ガス再循環（ＥＧＲ）制御弁、５２，５４…導管、５６…動力分割装置、５８…発電機、６０，６２…歯車、６４…差動歯車装置、６６…車輪、６８…電動機、７０…バッテリ、７２…インバータ、７４…電子式車輌運転制御装置（ＥＣＵ）、７６…コンプレッサ出口圧力センサ、７８…吸気マニホールド内圧力センサ、８０…吸気温度センサ、８２…冷却水温度センサ、８４…機関回転速度センサ、８６…空燃比センサ、８８…ＮＯｘ濃度センサ、９０…排気温度センサ、９２…三元触媒温度センサ、９４…酸素濃度センサ、９６…ＴＨＣ濃度センサまたはＣＯ濃度センサ、９８…ＮＯｘ触媒温度センサ、１００…ＮＯｘ濃度センサ、１０２…バッテリ充電状態センサ、１０４…発電機回転速度センサ、１０６…電動機回転速度センサ、１０８…車速センサ

Claims (5)

1. 車輌駆動用動力源として内燃機関と電動機とを備え、前記内燃機関には過給機と該過給機により加圧された吸気を冷却するインタークーラとが設けられているハイブリッド車にして、車輌の運行中、前記内燃機関を始動させる制御信号に基づいて前記インタークーラをバイパスして吸気を導くバイパス通路が開かれるようになっていることを特徴とするハイブリット車。
2. 前記バイパス通路は前記内燃機関の始動後吸気流量が所定の空燃比に対応する値に達するまで開かれるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリット車。
3. 前記所定空燃比は理論空燃比より高く有害成分の排出を低減することができる空燃比であることを特徴とする請求項２に記載のハイブリット車。
4. 前記バイパス通路は前記内燃機関の始動後その排気系に設けられた排気浄化触媒が所定の暖機温度に達するまで開かれるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリット車。
5. 前記バイパス通路は前記内燃機関の始動後前記過給機の出口と該内燃機関の吸気マニホールド内の吸気圧力の差が所定値以下となるようバイパス制御弁により制御されるようになっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のハイブリット車。
   

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