JP2008030744A - ハイブリッド駆動機構用の運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】駆動系のために、特に内燃機関の接続時の高い快適性によって際立っている運転方法を提供する。
【解決手段】内燃機関2と、電気モータ10と、トランスミッション11と、内燃機関2を電気モータ10と結合する第1のクラッチ12とを備える駆動系1の運転をするための方法において、電気モータ10が起動されていて内燃機関2が停止されている状態でトランスミッション入力部15に現在の所望トルクを導入するための運転モード中に、トランスミッション入力部15に現在の所望トルクだけを導入するように、内燃機関2の始動前に電気モータ10から駆動系1に導入されるトルクが高められること、第1のクラッチ12を制御することにより駆動系1から過剰なトルクが引き取られ、内燃機関2を加速させるために内燃機関2に導入されること、内燃機関2がその始動状態に達した時に始動されること、によって内燃機関2が接続される。
【選択図】図1

Description

本発明は、内燃機関と、電気モータと、トランスミッションと、内燃機関を電気モータと結合する第1のクラッチとを備える駆動系の運転をするための方法に関する。
このような駆動系を備えた駆動機構は、ハイブリッド駆動機構とも呼ばれ、特に最近の自動車、特に乗用車において使用される。内燃機関と電気モータが、選択的ばかりでなく、累積的にもトルクを駆動系に導入することができる付属の駆動系が形成されている場合、パラレルハイブリッド駆動機構とも言われる。
このようなハイブリッド駆動機構は、燃料消費量が低減されていること並びに有害物質の放出が低減されていることによって際立っている。この場合、重量を低減するために、ハイブリッド駆動機構の駆動系には、燃焼運転モードもしくはデュアル運転モードに切り替えるために、一方で電気運転モード中に駆動系にトルクを導入するために必要とされ、他方で始動させるために内燃機関を駆動することができる電気モータだけを備えることが合目的である。電気モータだけが設けられている場合に限って、電気運転モード中に、駆動系内のトルク変動が運転者によって感じられる衝撃となり、これが快適性の損失として感じられるように内燃機関を接続するという困難がある。同時に、例えば運転者の高出力の所望をできるだけ遅延なく満たすことができるように、内燃機関を比較的迅速に接続できることが求められる。しかしながら、内燃機関の始動のために望まれる自発性が得られるように、通常は比較的高いトルクが必要であり、このトルクは、駆動系から取り出され、そこで望ましくないトルク変動を更に強める。
従来技術としては、特許文献1〜6が挙げられる。
欧州特許出願公開第105 24 00号明細書 特開平11−082260号公報 特開2000−055186号公報 特開2000−177412号公報 特開2003−314322号公報 米国特許特許第6077186号明細書
本発明の課題は、冒頭で述べた様式の駆動系のために、特に内燃機関の接続時の高い快適性によって際立っている運転方法を提供することにある。
この課題は、本発明によれば、独立請求項の対象によって解決される。有利な構成は、従属請求項の対象である。
本発明は、内燃機関を駆動するために必要なトルクを、トランスミッション入力部においていかなるトルク上昇も生じないように駆動系に導入するという一般思想に基づく。この場合、本発明は、トランスミッション入力部と駆動される車輪間に衝撃が生じた場合にだけ、駆動系内のトルク変動が運転者の快適性を侵害する駆動系内の衝撃となるという認識を利用する。本発明による措置によって、トランスミッション入力が、駆動系へのトルク導入から十分に切り離されるので、理想的な場合には、電気モータによって駆動系にもたらされるトルク上昇がいわば衝撃なく行なわれ、運転者によって認められることがない。電気モータによって付加的に駆動系にもたらされるトルクは、現在の運転者の所望に依存した現在の所望トルクを駆動系に導入するために必要とされるのでなく、過剰なものである。この過剰なトルクは、内燃機関を加速するために、第1のクラッチを相応に制御することによって駆動系から引き取ることができる。内燃機関の加速及び始動のために本質的に過剰なトルクだけが引き取られるので、始動工程は、それ自身トランスミッション入力部へのトルク導入に作用しない。従って、理想的な場合には、内燃機関の始動工程は、衝撃なく実施することができる。
有利な実施形によれば、電気モータによって駆動系に導入されるトルクは、電気モータの回転数が、駆動系の現在の運転モードに対応する定格回転数と比べて高められる一方で、同時に、電気モータをトランスミッションと結合する第2のクラッチが、トランスミッション入力部に依然として現在の所望トルクだけを導入するよう、トランスミッション入力部へのトルクの伝達を縮小するように制御されることによって高めることができる。この実施形では、内燃機関の加速又は始動前に、駆動系の運動エネルギーが、電気モータの回転数を増大させることによって高められる。内燃機関の加速前に、付加的に提供される運動エネルギーは必要とされず、第2のクラッチを介して駆動系から、特に熱の形で排出される。内燃機関の加速時には、第1のクラッチを制御することによって過剰な運動エネルギーが内燃機関の加速のために使用され、この場合、第2のクラッチを介するエネルギーの排出が相応に縮小される。
駆動系の過剰な運動エネルギーによる内燃機関の駆動もしくは加速をするために、第2のクラッチは、内燃機関をできるだけ短時間で加速させることができるよう、内燃機関へのパルス状のトルク導入を行なうように操作することができる。これにより、同時性に関する応答特性を改善することができる。
他の実施形では、電気モータから駆動系に導入されるトルクは、第1のクラッチが、駆動系から次第に多くトルクを引き取り、内燃機関に導入るように制御される一方で、同時に、電気モータが、トルク導入を相応に高めるために制御されることによって高めることができる。第1のクラッチと電気モータの操作は、電気モータから駆動系に導入されるトルクが、本質的に第1のクラッチから駆動系に再び引き取られ、内燃機関に伝達するトルクに一致するように互いに同調されているので、合計してトランスミッション入力部に依然として現在の所望トルクだけが導入される。従って、この実施形では、電気モータの高い入力トルクが、直接内燃機関の駆動力に変換される。
他の有利な実施形では、そのシリンダ内でそれぞれのピストンがフレッシュガスを圧縮するための圧縮行程を完全に実施し次第、内燃機関がその始動状態に達し、その際、内燃機関が、前記シリンダ内に燃料を適切に噴射すること及びそのシリンダ内で燃料−フレッシュガス混合物に点火することによって始動される。この1つのシリンダでの後続の膨張行程は、既に明らかに内燃機関の加速のために寄与する。これにより、一方で内燃機関の加速のために電気モータから調達すべきエネルギーを縮小することができるのに対し、他方で始動工程のための時間の必要量が縮小される。このような内燃機関用の迅速始動方法は、それぞれのシリンダ内でのピストンの現在位置を介して、例えばクランクシャフト角の検出を介して情報提供される最近の燃料噴射装置とエンジン制御装置によって可能にされる。
本発明の更に重要な特徴及び利点は、従属請求項、図面、及び図面を基にした付属の図の説明から分かる。
前記の、以下で更に説明すべき特徴は、それぞれ記載した組み合わせだけでなく、他の組み合わせでも、単独でも本発明の枠から逸脱せずに使用可能である。
本発明の好ましい実施例を、図面を基にして以下で詳細に説明する。
唯一の図1は、著しく簡略化した駆動系の回路図状の原理図を示す。
図1に応じて、駆動系1は、複数のシリンダ3を有する内燃機関2を有し、シリンダ内には、通常の方法でピストン4がストローク変位可能に支承されている。ピストン4は、図示してない通常の方法でピストンロッドを介してクランクシャフト5と駆動連結されており、クランクシャフトは、ここでは一点鎖線によって図示されている。内燃機関2は、燃料噴射装置6を備えており、燃料噴射装置は、シリンダ3毎に噴射ノズル7を備え、噴射制御装置8を有し、この噴射制御装置によって噴射ノズル7が操作可能である。加えて、シリンダ3は、従来の方法で詳細には示してない給排気弁を備えている。フレッシュガス供給装置、排気ガス排出装置及び燃料供給装置は、通常の方法で設けられているが、ここでは図の簡略化のために図示していない。加えて、内燃機関2は、更にクランクシャフトセンサ9を備えており、このクランクシャフトセンサによって現在のクランクシャフト角が検出可能であり、このクランクシャフト角を介して、付属のシリンダ3内での各ピストン4の現在の位置が決定可能である。
更に、内燃機関2は、シリンダ3毎に点火ユニット21、特に点火プラグを備える点火装置20を備えている。個々の点火ユニット21は、点火制御装置22を介して操作可能である。
駆動系1は、加えて電気モータ10とトランスミッション11、特にオートマチックトランスミッション11を有する。電気モータ10は、第1のクラッチ12を介して内燃機関2と結合されている。このため、第1のクラッチ12は、一方で内燃機関2のクランクシャフト5と、他方で電気モータ10の駆動軸13と結合されている。第1のクラッチ12は、例えば切断クラッチとして形成することができる。更に、電気モータ10は、例えば第2のクラッチ14を介してトランスミッション11と結合されている。このため、第2のクラッチ14は、一方で電気モータ10の駆動軸13と、他方でトランスミッション11のトランスミッション入力部15と結合されている。第2のクラッチ14は、例えばロックアップクラッチを一体化したトルクコンバータとして、又は純粋なクラッチとして形成することができる。純粋な摩擦クラッチは、第1のクラッチ12用にも第2のクラッチ用に考えられる。第2のクラッチ14は、特にトランスミッション11に一体化することができる。トランスミッション11のトランスミッション出力部16は、駆動系1から提供される駆動力の利用を可能にする。
好ましいことに、駆動系1は、自動車に、特に乗用車に配設されている。その場合、トランスミッション出力部16は、車両の駆動輪を駆動する。駆動系1は、内燃機関2と電気モータ10によって異なった駆動原理を備え、従って、ハイブリッド駆動機構と呼ばれる。異なった2つの駆動コンセプトを同時にアクティブにできる場合に限って、パラレルハイブリッド駆動機構と言う。
駆動系1の個々のコンポーネントの制御をするために制御装置17が設けられており、この制御装置は、相応の制御ライン18を介して噴射制御装置8、点火制御装置22、内燃機関2、クラッチ12,14、電気モータ10及びトランスミッション11を制御することができる。信号ライン19を介して、制御装置17は、例えばクランクシャフトセンサ9のセンサ信号を受け取る。
図1による駆動系1は、本発明によれば以下のように運転することができる。
駆動系1によってトランスミッション入力部15に現在の所望トルクを導入すべきである。この所望トルクは、種々の境界条件に依存することになる。駆動系1が車両に配設されている場合に限って、所望トルクは、先ず運転者の所望に依存する。所望トルクは、運転者の所望に応じて長時間に渡り一定にするか、変更することができる。電気運転モードでは、所望トルクは、専ら電気モータ10によって発生される。電気運転モードは、例えば駆動系1を備えた車両の市街地走行に適している。燃焼運転モードでは、それぞれの所望トルクは、専ら内燃機関2によって発生される。燃焼運転モードは、例えば長距離走行又は高速道路走行に適している。同時に、燃焼運転モードでは、内燃機関2が燃焼運転モードで過剰なエネルギーを供給する場合に限って、電気モータ10の運転をするための電力を提供する車載バッテリを充電することができる。この場合、特に、電気モータ10は発電機として運転することができる。デュアル運転モードでは、それぞれの所望トルクは、内燃機関2と電気モータ10によって組み合わされて発生される。このデュアル運転モードは、例えば車両の加速を最適化するために利用することができる。
電気運転モード中、即ち電気モータ10が起動され、内燃機関2が停止された運転モード中は、所定の前提条件下で内燃機関2を起動もしくは接続することが必要となることがある。これは、例えば電気運転モードから燃焼運転モード又はデュアル運転モードに交替するためである。運転モードのこの交替は、運転者に対してできるだけ快適性を損失することなく実現すべきである。更に、迅速な応答特性も、即ち内燃機関2の迅速な接続も望まれる。
高い快適性と短い応答時間の設定を満たすために、電気運転モード中、内燃機関2の始動前に電気モータ10によって駆動系1に導入されるトルクが高められ、しかも、この場合、トランスミッション入力部15に依然として現在の所望トルクが導入されるように高められる。従って、駆動系1内のトルク上昇は、トランスミッション入力部15では感じられない。その点で、駆動系1でのトルク上昇は衝撃がない。これは、駆動系1でトルク上昇があった場合は、駆動系1でのこのトルク上昇がトランスミッション入力部15と車両の駆動輪間で行なわれた場合にだけ、運転者が感じる衝撃となるからである。駆動系1でのトルク上昇により、駆動系は過剰なエネルギーを含んでいる。この過剰なエネルギーは、第1のクラッチ12を相応に制御することによって駆動系1から再び引き取り、同時に内燃機関23の加速のためにクランクシャフト5に導入することができる。従って、電気モータ10によって駆動系1に導入される過剰なエネルギーは、内燃機関2の加速のために利用される。内燃機関2が始動状態に達し次第、内燃機関は始動させることができる。内燃機関2の本来の始動は、燃料噴射装置6並びに点火装置20の相応の制御を介して行なわれる。
ある実施形によれば、電気モータ10から駆動系1に導入されるトルクは、電気モータ10の回転数が高められることによって、しかも駆動系1の現在の運転モードに対応した定格回転数に対して相対的に高められることによって高めることができる。回転数が高められることによって、電気モータ10は、更に運動エネルギーを駆動系に伝達することができる。この過剰なエネルギーが内燃機関の始動もしくは加速のために利用されない間、過剰なエネルギーもしくは過剰なトルクのトランスミッション入力部15への伝達は回避しなければならない。これは、第2のクラッチ14を相応に制御することによって得られる。このため、第2のクラッチは、トランスミッション入力部15に伝達されるトルクが縮小されるように制御される。従って、駆動系1でのトルク上昇は、第2のクラッチ14によってトランスミッション入力部15に伝導される。むしろ、第2のクラッチ14には、トランスミッション入力部15で依然としてそれぞれ現在の所望トルクが生じるようにしか、依然としてトルクはトランスミッション入力部15に導入されない。この場合、過剰なエネルギーは、第2のクラッチ14において駆動系1から引き取られる。このため、例えば、過剰なエネルギーは第2のクラッチ14で熱に変換され、環境に放出される。
駆動系1が内燃機関2の始動又は加速のために十分に運動エネルギーを収容し次第、第1のクラッチ12を相応に操作することによって駆動系1からトルクが引き取られ、その加速のために内燃機関2に供給される。この場合、このトルクの取出しは、駆動系1での過剰なエネルギーを減少させる。このため、第1のクラッチ12を介する内燃機関2にエネルギーもしくはトルクの伝達の増加により、第2のクラッチ14を介してトランスミッション入力部15に伝達されないエネルギーが相応の規模で縮小されるように、相補的に第2のクラッチ14が制御される。この場合、両クラッチ12,14の制御は、電気モータ10が最大でその定格回転数に制動されるのに対し、一方で内燃機関2が加速され、他方でトランスミッション入力部15に依然として現在の所望トルクが導入されるように、互いに同調される。好ましいことに、第1のクラッチ12は、電機モータ10の回転数が高められることにより駆動系1に提供された運動エネルギーが、内燃機関をできるだけ短時間で加速させるために、いわばパルス状に内燃機関2に導入されるように、制御装置17によって制御される。
第2のクラッチ14が、電気モータ10の回転数を高める際にトランスミッション入力部15に伝達されるトルクを縮小することができるように、第2のクラッチは、クラッチ入力部とクラッチ出力部間に生じるスリップを高めることができる。トランスミッション入力部15へのトルク伝達を再び高めるために、第2のクラッチ14は、クラッチ入力部とクラッチ出力部間のスリップを縮小する。
特に第2のクラッチ14を省略することができる他の実施形では、電気モータ10は、駆動系1から第1のクラッチ12を介して次第に増加するようにトルクが引き取られる一方で、同時に電気モータ10が、駆動系1へのトルク導入の相応の補正的な増大を生じさせるように制御されることによっても、駆動系1に導入されるトルクを高めることができる。この場合、電気モータ10は、第1のクラッチ12を介して駆動系1に付加的に負荷が作用するにもかかわらず、トランスミッション入力部15には依然として現在の所望トルクだけが導入されるように制御される。この場合、例えば相応の調整回路を介して、もしくは相応の制御が行なわれる場合には入力負荷を増やすことによって補正的に電気モータ10を自動調整することができるように、内燃機関2は、パルス状ではなく、むしろ「ソフト」に接続される。
内燃機関2の接続中に現在の所望トルクが好ましいことに一定であることは明白である。しかしながら、基本的には、現在の所望トルクが運転者の所望による接続工程中に接続工程と無関係に変化することも考えられる。現在の所望トルクのこの変化を、駆動系1は考慮にいれており、特に電気モータ10の入力トルクの増減及び/又は第2のクラッチ14でのスリップの増減によって対処する。
内燃機関2の所定の始動状態がその加速時に得られ次第、内燃機関2の本来の始動工程が行なわれる。この始動状態は、例えば、内燃機関2が所定の始動回転数に達した場合に得られる。その場合、内燃機関2の始動は、クランクシャフト5を若干回転させている間に燃料噴射装置6と点火装置20が同期する通常の始動工程に相当する。
他の実施形では、内燃機関2に対して少なくとも接続の際に迅速始動工程を実施することができる。内燃機関2は、このような迅速始動工程時に、その第1のシリンダ3内で付属のピストン4が吸い込んだフレッシュガスを圧縮する完全な圧縮行程を実施した場合に既にその始動状態に達している。即ち、内燃機関は、シリンダ3の1つで完全なフレッシュガスの充填と充填物の圧縮を実施しなければならない。クランクシャフトセンサ9を介して、制御装置17は、現在のクランクシャフト角を知り、これにより各ピストン4の現在の位置を知る。従って、制御装置17は、いつどのシリンダ3で付属のピストン4が完全な圧縮行程を最初に実施したかを正確に知っている。噴射制御装置8を介して、適切にこのシリンダ3は、噴射ノズル7を介して適切な量の燃料が噴射されることによって燃料を供給される。点火装置20を介して、このシリンダ3では、このシリンダ内で構成された燃料−フレッシュガス混合物が相応の点火ユニット21を介して点火される。それぞれのピストン4の後続の膨張行程は、クランクシャフト5を駆動し、内燃機関2を付加的に加速させる。短時間の後、既に次の点火工程を実施することができる。この迅速始動方法の場合、クランクシャフト5、燃料噴射装置6及び点火装置20が、いわば最初から同期されており、これにより、内燃機関2は、極端に迅速に始動させることができる。このような迅速始動方法は、特に直接噴射式のガソリンエンジンで実現可能である。
内燃機関2の迅速な始動により、電気モータ10によって提供すべき、クランクシャフトを始動させるための運動エネルギーは相対的に小さい。これも、快適性及び接続工程の同時性にプラスに作用する。
内燃機関2の始動後、制御装置17は、その回転数を互いに補正するために、電気モータ10と内燃機関2を同期させる。そのとき初めて、クランクシャフト5と駆動軸13間でスリップなくトルクを伝達するために、第1のクラッチ12を完全に閉じることができる。
その場合には、先ず、トランスミッション入力トルク15の依然として現在の所望トルクが導入される場合に限って、電気モータ10と内燃機関2が合計してトルクを駆動系1に導入するデュアル運転モードになる。必要な場合に限って、デュアル運転モードの後又は電気モータ10と内燃機関2の同期直後に燃焼運転モードに移行することができる。このため、制御装置17は、トランスミッション入力部15に現在の所望トルクが導入される場合に限って内燃機関2がトルクを駆動系1に導入するように、内燃機関2を運転する。同時に、電気モータ10が停止される。内燃機関2が出力の余裕を備える場合と電気モータ10を運転するためのバッテリがチャージされなければならない場合に限って、内燃機関2は、相応の過剰出力を駆動系1に伝達することもできるが、その場合には、過剰出力は、相応の発電機を介して、特に発電機として運転される電気モータ10を介して駆動系1から再び取り出すこともできる。この場合、この充電状態でも、トランスミッション入力部15に依然として現在の所望トルクだけが導入される。
簡略化した駆動系の回路図状の原理図を示す。
符号の説明
1 駆動系
2 内燃機関
3 シリンダ
4 ピストン
5 クランクシャフト
6 燃料噴射装置
7 噴射ノズル
8 噴射制御装置
9 クランクシャフトセンサ
10 電気モータ
11 トランスミッション
12 第1のクラッチ
13 電気モータの駆動軸
14 第2のクラッチ
15 トランスミッション入力部
16 トランスミッション出力部
17 制御装置
18 制御ライン
19 信号ライン
20 点火装置
21 点火ユニット
22 点火制御装置

Claims (10)

  1. 内燃機関(2)と、電気モータ(10)と、トランスミッション(11)と、内燃機関(2)を電気モータ(10)と結合する第1のクラッチ(12)とを備える駆動系(1)の運転をするための方法において、
    電気モータ(10)が起動されていて内燃機関(2)が停止されている状態でトランスミッション入力部(15)に現在の所望トルクを導入するための運転モード中に、
    −トランスミッション入力部(15)に現在の所望トルクだけを導入するように、内燃機関(2)の始動前に電気モータ(10)から駆動系(1)に導入されるトルクが高められること、
    −第1のクラッチ(12)を制御することにより駆動系(1)から過剰なトルクが引き取られ、内燃機関(2)を加速させるために内燃機関(2)に導入されること、
    −内燃機関(2)がその始動状態に達した時に始動されること、
    によって内燃機関(2)が接続されることを特徴とする方法。
  2. 電気モータ(10)から駆動系(1)に導入されるトルクを高めるために、電気モータ(10)の回転数が、駆動系(1)の現在の運転モードに対応する定格回転数を起点として高められる一方で、同時に、電気モータ(10)をトランスミッション(11)と結合する第2のクラッチ(14)が、トランスミッション入力部(15)へのトルク伝達を縮小するために、トランスミッション入力部(15)に現在の所望トルクだけを導入するように制御されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 内燃機関(2)を加速させるため、第1のクラッチ(12)が、内燃機関(2)にパルス状にトルクを導入するために、電気モータ(10)を最大で現在の定格回転数に制動するように制御される一方で、同時に、第2のクラッチ(14)が、トランスミッション入力部(15)へのトルク伝達を高めるために、トランスミッション入力部(15)に現在の所望トルクを導入するように制御されることを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. −第2のクラッチ(14)が、トランスミッション入力部(15)へのトルク伝達を縮小するために、クラッチ入力部とクラッチ出力部間のスリップを高めること、及び/又は、
    −第2のクラッチ(14)が、トランスミッション入力部(15)へのトルク伝達を高めるために、クラッチ入力とクラッチ出力部間のスリップを縮小すること、
    を特徴とする請求項2又は3に記載の方法。
  5. 電気モータ(10)から駆動系(1)に導入されるトルクを高めるために、第1のクラッチ(12)が、駆動系(1)から次第に多くトルクを引き取るように制御される一方で、同時に、電気モータ(10)が、トルク導入を相応に高めるために、トランスミッション入力部(15)に現在の所望トルクだけを導入するように制御されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 内燃機関(2)の始動状態が、所定の始動回転数によって決定されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の方法。
  7. −そのシリンダ(3)内でそれぞれのピストン(4)がフレッシュガスを圧縮するための圧縮行程を完全に実施し次第、内燃機関(2)がその始動状態に達すること、
    −内燃機関(2)が、そのシリンダ(3)内に燃料を適切に噴射すること及びそのシリンダ(3)内で燃料−フレッシュガス混合物に点火することによって始動されること、
    を特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の方法。
  8. 内燃機関(2)の始動後、電気モータ(10)と内燃機関(2)が、その回転数に関して同期されることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の方法。
  9. 電気モータ(10)と内燃機関(2)の同期後、電気モータ(10)と内燃機関(2)から合計して駆動系(1)に導入されるトルクが、トランスミッション入力部(15)に現在の所望トルクを導入するように調整されることを特徴とする請求項8に記載の方法。
  10. 電気モータ(10)と内燃機関(2)の同期後、電気モータ(10)が停止され、内燃機関(2)から駆動系(1)に導入されるトルクが、トランスミッション入力部(15)に現在の所望トルクを導入するように調整されることを特徴とする請求項8に記載の方法。
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