JP2006220036A - フィルタ付きハイブリッドエンジンの制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】パティキュレートフィルタを効率的に再生するとともにエネルギの収支を釣り合わせてエンジンの熱効率を向上させる。
【解決手段】フィルタ付きハイブリッドエンジンは、エンジン１１と、機械的動力を電力に変換してバッテリ１５に蓄えるとともにバッテリに蓄えられた電力により駆動するモータ１２と、排ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ２４と、パティキュレートの堆積量を推定する堆積量推定手段１６，１６ａと、堆積量推定手段が推定する推定量に基づいてエンジン及びモータを制御するコントローラ１６とを備える。コントローラは、堆積量推定手段が推定する推定量が所定の閾値を越えかつバッテリに蓄えられた電力が所定量以下のときにパティキュレートフィルタの温度を上昇させてパティキュレートを燃焼させるとともにバッテリを充電してバッテリに所定量を超える電力が蓄えられるようにエンジン及びモータを制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンとモータとを組合せて動力を発生するハイブリッドエンジンであって、その排気通路にパティキュレートフィルタが設けられたフィルタ付きハイブリッドエンジンの制御システムに関するものである。

従来、ハイブリッドエンジンとして、エンジンと、このエンジンに三相交流機等の発電機兼用モータを直結したものが知られている。この発電機兼用モータにはトランスミッションを介して車輪が接続され、発電機兼用モータには、エンジン始動、トルクアシスト、発電、エネルギー回生、リターダ等を制御し得るインバータが接続される。一方、ディーゼルエンジン等のエンジンは、駆動によりパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）を排出するため、排ガスが流通する排気管の途中にパティキュレートフィルタを装備するものがある。そして、このようにフィルタをエンジンの排気経路に設けると、フィルタに堆積するパティキュレートを燃焼させてフィルタを再生させる必要があることから、そのフィルタを再生させるとともにハイブリッドエンジンを有効に制御しうる制御システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このシステムでは、瞬間走行抵抗に打勝つためエンジンにより発生すべきトルクが効率又は排ガスの性質に関してエンジンの理想運転に相当するトルク以下にある運転範囲では、エンジンをほぼ理想運転に相当するトルクで運転する。また、理想運転に相当するトルクと瞬間走行抵抗に打勝つためエンジンにより発生すべきトルクとの差トルクを、発電機として運転されるモータの駆動のために使用する。更にエンジンとしてディーゼルエンジンを用いる場合、発電機として動作するモータの所要トルクを調整して、常に又は運転パラメータに関係して、エンジンの排気管路に設けられるパティキュレートフィルタの自動的煤燃焼を行う排ガス温度を得るように構成されている。そして、このシステムでは、エンジンはその効率が最大となるように運転され、最適効率でのエンジンの運転が保証されるだけでなく、排ガス温度をパティキュレートフィルタの自己再生温度まで上昇させることができるものとしている。
特開平６−４８２２２号公報（特許請求の範囲、図１）

しかし、上記のように、ハイブリッドエンジンの排気通路にパティキュレートフィルタを設け、エンジンの排ガス温度をそのフィルタの自己再生温度まで上昇させてそのパティキュレートフィルタを再生させるようにすると、車両走行と関係なくエンジンの排気温度を高めてパティキュレートフィルタを再生させることになるため、必要以上の電力がバッテリに蓄えられる場合があり、エネルギ収支のバランスが崩れてエンジンの熱効率を悪化させる不具合があった。
本発明の目的は、パティキュレートフィルタを効率的に再生するとともにエネルギの収支を釣り合わせてエンジンの熱効率を向上させ得るフィルタ付きハイブリッドエンジンの制御システムを提供することにある。

請求項１に係る発明は、図１に示すように、エンジン１１と、エンジン１１の発生した機械的動力を電力に変換してバッテリ１５に蓄えるとともにバッテリ１５に蓄えられた電力により駆動するモータ１２と、エンジン１１の排気通路２２に設けられエンジン１１の排ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ２４と、パティキュレートフィルタ２４におけるパティキュレートの堆積量を推定する堆積量推定手段１６，１６ａと、堆積量推定手段１６，１６ａが推定する推定量に基づいてエンジン１１及びモータ１２を制御するコントローラ１６とを備えたフィルタ付きハイブリッドエンジンの制御システムの改良である。
その特徴ある構成は、コントローラ１６は、堆積量推定手段１６，１６ａが推定する推定量が所定の閾値を越えかつバッテリ１５に蓄えられた電力が所定量以下のときにパティキュレートフィルタ２４の温度を上昇させてパティキュレートフィルタ２４に捕集されたパティキュレートを燃焼させるとともにバッテリ１５を充電してパティキュレートが燃焼除去された時にバッテリ１５に所定量を超える電力が蓄えられるようにエンジン１１及びモータ１２を制御するところにある。

この請求項１に記載されたフィルタ付きハイブリッドエンジンの制御システムでは、エンジン１１の負荷を増大させて排ガス自体の温度を上昇させてパティキュレートを燃焼させる際に、エンジン１１の動力によりモータ１２を回転させて発電を起こさせてその電力をバッテリ１５に充電することによりエンジン１１の負荷を増大させ、フィルタ２４を再生させるための排気温度を更に上昇させて、パティキュレートフィルタを効率的に再生することができる。また、フィルタ２４の再生中は常にバッテリ１５に充電されるけれども、フィルタ２４を再生させる以前にバッテリ１５に蓄えられた電力を所定量以下にするので、フィルタ２４が再生された時点で必要以上の電力がバッテリに蓄えられてしまうような事態を回避することができる。このため、エネルギ収支のバランスは保たれてパティキュレートフィルタ２４の再生時におけるエンジン１１の熱効率を向上させることができる。

本発明のフィルタ付きハイブリッドエンジンの制御システムでは、堆積量推定手段が推定する推定量が所定の閾値を越えかつバッテリに蓄えられた電力が所定量以下のときにパティキュレートフィルタの温度を上昇させてパティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させるとともにバッテリを充電してパティキュレートが燃焼除去された時にバッテリに所定量を超える電力が蓄えられるようにエンジン及びモータを制御するので、エンジンの負荷を増大させて排ガス自体の温度を上昇させてパティキュレートを燃焼させる際にエンジンの負荷を増大させてその排気温度を更に上昇させてパティキュレートフィルタを効率的に再生することができる。また、フィルタの再生中は常にバッテリに充電されるけれども、フィルタを再生させる以前にバッテリに蓄えられた電力を所定量以下にするので、フィルタが再生された時点で必要以上の電力がバッテリに蓄えられてしまうような事態を回避することができる。このため、エネルギ収支のバランスは保たれてパティキュレートフィルタの再生時におけるエンジンの熱効率を向上させることができる。

次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、ハイブリッドエンジン１０は、エンジン１１と、このエンジン１１に直結された三相交流機等の発電機兼用モータ１２を備える。この発電機兼用モータ１２にはトランスミッション１３を介して図示しない車輪が接続され、発電機兼用モータ１２には、エンジン始動、トルクアシスト、発電、エネルギー回生、リターダ等を制御し得るインバータ１４が接続される。インバータ１４には、電源及びエネルギ源となるバッテリ１５と、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成すコントローラ１６と、エンジン回転数を回転信号として検出する回転センサ１７と、エンジン１１を回転させるスタータスイッチ（図示せず）と、リターダ（図示せず）が接続される。コントローラ１６には、エンジン１１の負荷状態をアクセル開度信号として検出するアクセルセンサ１８が接続され、コントローラ１６はアクセルセンサ１８の検出出力に基づいてエンジン１１の各気筒に燃料を噴射するエンジン１１の燃料噴射装置１９に燃料噴射信号を与えるように構成される。ここで、燃料噴射装置１９は、各気筒毎に装備される図示しない複数のインジェクタにより構成されており、これら各インジェクタの電磁弁が燃料噴射信号により適宜に開弁制御されて燃料の噴射タイミング（噴射開始時期と噴射終了時期）及び噴射量（開弁時間）が適切に制御されるようになっている。

このハイブリッドエンジン１０では、エンジン１１を始動させる際（エンジン始動時）には、インバータ１４が、スタータスイッチ（図示せず）のスタート信号を受けることにより、バッテリ１５から発電機兼用モータ１２へ電流を流すよう制御してエンジン１１をクランキングさせ、続いて、回転センサ１７の回転信号を受けることにより、アイドル回転数までエンジン１１の回転を上昇させてエンジン１１を始動させるように構成される。一方、このハイブリッドエンジンにおいて車両を発進、加速させる際（トルクアシスト時）には、インバータ１４が、コントローラ１６を介して回転センサ１７の回転信号とアクセルセンサ１８のアクセル開度信号を受けることにより、バッテリ１５から発電機兼用モータ１２へ電流を流すよう制御し、発電機兼用モータ１２をモータとして作動させてエンジン１１の駆動を補助するように構成される。

また、このハイブリッドエンジンにおいてアクセルを踏み込んで車両を一定走行させる際（発電時）には、インバータ１４が、コントローラ１６を介して回転センサ１７の回転信号とアクセルセンサ１８のアクセル開度信号を受けることにより、発電機兼用モータ１２への電流を制御して発電機兼用モータ１２を発電機として作動させるように構成される。アクセルを離した際（エネルギー回生時）には、同様に、インバータ１４が、コントローラ１６を介して回転センサ１７の回転信号とコントローラ１６を介するアクセルセンサ１８のアクセル開度信号を受けることにより、発電機兼用モータ１２への電流を制御して発電機兼用モータ１２を大容量の発電機として作動させ、発電機兼用モータ１２からバッテリ１５を充電するように構成される。また、車両の速度を低減させる際（リターダ時）には、インバータ１４が、クラッチ（図示せず）のクラッチスイッチ信号と、コントローラ１６を介するアクセルセンサ１８のアクセル開度信号を受けることにより、発電機兼用モータ１２への電流を制御して発電機兼用モータ１２をリターダブレーキ及び大容量の発電機として作動させるように構成される。

ここで、インバータ１４、発電機兼用モータ１２等のハイブリッドエンジンとともに駆動するエンジン１１は、インバータ１４の制御と連動するようコントローラ１６から指令を受けた燃料噴射装置１９により、各気筒にメイン燃料が制御噴射されて車両走行時の状態に対応している。一方、ディーゼルエンジン等のエンジン１１は、駆動によりパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）を排出する。このため、エンジン１１から排気マニホールド２１を介して排出された排気ガスが流通する排気管２２のマフラ２３内に、酸化触媒を一体的に担持して成る触媒再生型のパティキュレートフィルタ２４が収容され、このパティキュレートフィルタ２４を抱持するフィルタケース２６がマフラ２３の外筒を成すようになっている。フィルタケース２６の出口パイプ２７には、排気ガスの温度を計測するための温度センサ２８が装備され、この温度センサ２８の検出信号がコントローラ１６に対し入力されるようになっている。

パティキュレートフィルタ２４は、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、図示しないが、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出されるように構成される。ここで、パティキュレートとは、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものである。そして、排気ガス中のパティキュレートは、フィルタ２４における多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、このパティキュレートフィルタ２４はその目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去して再生を図る必要があるものである。

パティキュレートフィルタ２４の再生に関しては、エンジン１１の負荷を増大させて排ガス自体の温度を上昇させてフィルタ２４自体の温度をパティキュレートが燃焼する温度まで上昇させることや、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階でパティキュレートフィルタ２４より上流側の排気ガス中に二次の燃料を添加することが挙げられる。排気ガス中に二次の燃料を添加する場合であれば、その添加された二次の燃料がパティキュレートフィルタ２４の酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱により触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタ２４の再生化が図られることになる。

この実施の形態におけるフィルタ２４の再生は、エンジン１１の負荷を増大させて排ガス自体の温度を上昇させるとともに排気ガス中に二次の燃料を添加することにより行われ、二次の燃料の添加はコントローラ１６からの指令に基づいて燃料噴射装置１９により行われる。即ち、燃料噴射装置１９を構成する各インジェクタの電磁弁がコントローラ１６からの燃料噴射信号により適宜に開弁制御され二次の燃料の噴射タイミング（噴射開始時期と噴射終了時期）及び噴射量（開弁時間）が適切に制御されるように構成される。ここで、コントローラ１６にはメモリ１６ａが設けられ、メモリ１６ａには回転センサ１７で検出されるエンジン１１の回転数とアクセルセンサ１８で検出されるアクセル開度（負荷）に基づくパティキュレートの発生量がマップとして記憶される。コントローラ１６はこのマップから時点時点におけるパティキュレートの発生量を積算してパティキュレートフィルタ２４におけるパティキュレートの堆積量を推定するように構成され、このメモリ１６ａ及びコントローラ１６によりパティキュレートフィルタ２４におけるパティキュレートの堆積量を推定する堆積量推定手段が構成される。

次に、このように構成されたフィルタ付きハイブリッドエンジンの制御システムにおける動作を図２におけるフローチャートを用いて説明する。
本発明の制御システムでは、車両の走行中に必要に応じパティキュレートフィルタ２４を再生する。パティキュレートフィルタ２４を再生する時期であるか否かは、堆積量推定手段が推定する推定量に基づいてそのコントローラ１６により判断される。具体的に説明すると、初めにコントローラ１６は堆積量推定手段が推定する推定量が所定の閾値を越えているかどうか判断する。その推定量が所定の閾値未満である場合にはパティキュレートが十分に堆積しておらずパティキュレートフィルタ２４の再生が不要であるからである。この場合、ハイブリッドシステムは従来例と略同様な制御を行い、エンジン１１の熱効率を向上させる。一方、堆積量推定手段が推定する推定量が所定の閾値を越えている場合にはパティキュレートフィルタ２４の再生が必要になるほどパティキュレートが堆積した状態と推定され、この場合にコントローラ１６は次にバッテリ１５に蓄えられた電力量を検出する段階へ移行する。

バッテリ１５に蓄えられた電力量はインバータ１４を介してコントローラ１６において検出され、コントローラ１６はバッテリ１５に蓄えられた電力が所定量を越えているときにはモータ１２によるアシスト量を増大させ、エンジン１１における燃料消費量を減少させるとともに、そのバッテリ１５に蓄えられた電力を積極的に消費させる。この場合、フィルタ２４にはパティキュレートが比較的多く堆積している状態にあるけれども、モータ１２によるアシスト量を増大させる結果、エンジン１１におけるいわゆる燃費が減少することを防止する。一方、バッテリ１５に蓄えられた電力が所定量以下にまで減少しているか、或いは電力を積極的に消費させた結果バッテリ１５に蓄えられた電力が所定量以下にまで減少した場合に、コントローラ１６はフィルタ２４を再生させる。

フィルタ２４の再生は、エンジン１１の負荷を増大させて排ガス自体の温度を上昇させるとともに排気ガス中に二次の燃料を添加することにより行われる。具体的に説明すると、エンジン１１の動力によりモータ１２を回転させて発電を起こさせてその電力をバッテリ１５に充電することによりエンジン１１の負荷を増大させる。これにより、排気温度は上昇し、パティキュレートフィルタ２４の温度も上昇する。排気ガスの温度は温度センサ２８により検出され、パティキュレートフィルタ２４が再生に必要な温度に達していない場合には、必要に応じて排気ガス中に二次の燃料を添加する。排気ガス中への二次の燃料噴射は、コントローラ１６からの指令により燃料噴射装置１９により行われる。即ち、燃料噴射装置１９は、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い着火しないタイミングで二次の燃料を噴射することにより行われ、この二次の燃料噴射により排気ガス中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加されてパティキュレートフィルタ２４表面の酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱により触媒床温度が上昇してパティキュレートフィルタ２４内のパティキュレートを自然燃焼させ、パティキュレートの燃焼が終了した時点でフィルタ２４の再生が完了する。

このフィルタ２４の再生中は常にバッテリ１５が充電され、パティキュレートが燃焼除去されてフィルタ２４が再生された時にバッテリ１５に所定量を超える電力が蓄えられていわゆる満充電状態とされるようにエンジン１１及びモータ１２が制御される。従って、本発明では、フィルタ２４を再生させる以前にバッテリ１５に蓄えられた電力を所定量以下にするので、エンジンの排気温度を高めてパティキュレートフィルタを再生させる際に、必要以上の電力がバッテリに蓄えられることはない。このため、エネルギ収支のバランスは保たれてパティキュレートフィルタ２４の再生と同時にエンジン１の熱効率を向上させることができる。

なお、上述した実施の形態では、パティキュレートの発生量が記憶されたマップ１６ａとこのマップからパティキュレートの発生量を積算するコントローラ１６とからなる堆積量推定手段を用いて説明したが、図示しないが、この堆積量推定手段として、フィルタ２４より排ガス上流側及び排ガス下流側に排ガス圧力をそれぞれ検出する一対の排ガス圧力センサを設け、コントローラはその圧力差からパティキュレートフィルタ２４におけるパティキュレートの堆積量を推定するように構成してもよい。

本発明実施形態のフィルタ付きハイブリッドエンジンの構成図である。 そのコントローラの制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１１ エンジン
１２ モータ
１５ バッテリ
１６ コントローラ（堆積量推定手段）
１６ａ メモリ（堆積量推定手段）
２２ 排気通路
２４ パティキュレートフィルタ

Claims (1)

1. エンジン(11)と、前記エンジン(11)の発生した機械的動力を電力に変換してバッテリ(15)に蓄えるとともに前記バッテリ(15)に蓄えられた電力により駆動するモータ(12)と、前記エンジン(11)の排気通路(22)に設けられ前記エンジン(11)の排ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ(24)と、前記パティキュレートフィルタ(24)におけるパティキュレートの堆積量を推定する堆積量推定手段(16,16a)と、前記堆積量推定手段(16,16a)が推定する推定量に基づいて前記エンジン(11)及び前記モータ(12)を制御するコントローラ(16)とを備えたフィルタ付きハイブリッドエンジンの制御システムにおいて、
   前記コントローラ(16)は、前記堆積量推定手段(16,16a)が推定する推定量が所定の閾値を越えかつ前記バッテリ(15)に蓄えられた電力が所定量以下のときに前記パティキュレートフィルタ(24)の温度を上昇させて前記パティキュレートフィルタ(24)に捕集されたパティキュレートを燃焼させるとともに前記バッテリ(15)を充電して前記パティキュレートが燃焼除去された時に前記バッテリ(15)に前記所定量を超える電力が蓄えられるように前記エンジン(11)及び前記モータ(12)を制御する
   ことを特徴とするフィルタ付きハイブリッドエンジンの制御システム。
   
   

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