JP2009202662A - ハイブリッド車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 吸気バルブのバルブ作動角を変化させることができる可変動弁機構を有するエンジンを搭載したハイブリッド車両において、可変動弁機構の故障時に、最低限の走行を可能にする。
【解決手段】可変動弁機構（ＶＥＬ）の故障を診断し（Ｓ１）、故障と診断されたときに、車両走行中及び停車時のエンジン停止を禁止する（Ｓ２）。加速走行時は、エンジン及びモータの両方の出力でのモータアシスト走行とする（Ｓ５）。定常走行時は、エンジンの出力のみでのエンジン走行とする（Ｓ６）。減速走行時は、モータを回生駆動して発電させる（Ｓ７）。停車時は、エンジン回転数を所定の回転数に制御し、余剰トルクでモータを駆動して発電させる（Ｓ８）。
【選択図】 図５

Description

本発明は、エンジン（内燃機関）とモータ（電動モータ）とを駆動源とするハイブリッド車両に関し、特にエンジンに備えられる可変動弁機構の故障時のフェイルセーフ技術に関する。

特許文献１には、エンジン及びモータの少なくとも一方の出力で車両の駆動力を発生させて走行するハイブリッド車両において、そのエンジンに、吸気バルブのバルブ作動角（及びリフト量）を変化させることができる可変動弁機構を搭載し、吸気バルブのバルブ作動角の制御によりシリンダ空気量を制御して、エンジン出力を制御するようにしたものが開示されている。
特開２０００−０７３７９８号公報

ハイブリッド車両では、エンジンの始動、停止を繰り返すが、エンジンの再始動を運転者が気づかない程度まで、再始動に伴う振動を抑制することが求められている。
このため、ハイブリッド車両用のエンジンに上記の可変動弁機構を搭載する場合は、エンジンの始動時に、エンジン始動時振動の起振力となるシリンダ空気量を減らすため、バルブ作動角の最小作動角をより小さく設定する必要がある。

しかし、バルブ作動角の最小作動角を小さく設定すると、可変動弁機構が最小作動角の状態で故障した場合、エンジンを停止させてしまうと、その後のエンジンの再始動が困難となることがある。もちろん、ハイブリッド車両であるので、モータのみで自走可能であるが、電力消費量により、自走距離には限界がある。

本発明は、このような問題点に鑑み、可変動弁機構が最小作動角の状態で故障したとしても、最低限の走行が可能なハイブリッド車両を提供することを目的とする。

このため、本発明では、可変動弁機構の故障と診断されたときに、車両走行中及び停車時のエンジン停止を禁止する構成とする。

本発明によれば、可変動弁機構の故障時に、エンジン停止を禁止することで、再始動が困難となる事態を回避できる。また、エンジン停止を禁止することで、モータ出力のみによるモータ走行が禁止され、電力消費量の増大（バッテリ上がり）を抑制できる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すハイブリッド車両の構成図である。
エンジン１は例えば直噴火花点火式の内燃機関であり、その出力軸２は、第１クラッチ３を介して、発電機を兼ねるモータ（モータジェネレータ）４の軸の一端に接続されている。

モータ４の軸の他端は、第２クラッチ５を介して、自動変速機６の入力軸に接続されている。そして、自動変速機６の出力軸は、ディファレンシャル装置７を介して、車輪の駆動軸８に接続されている。

従って、このハイブリッド車両は、エンジン１及びモータ４の少なくとも一方の出力で車両の駆動力を発生させて走行することができる。
ここにおいて、エンジン１は、その出力で車両の駆動力を発生させる他、発電用としてモータ４を駆動するために用いることができる。

モータ４は、インバータ９を介してバッテリ１０と接続されており、バッテリ１０はモータ４への駆動用電力の供給とモータ４からの発電電力の充電とが可能である。そして、モータ４は、単独で、又はエンジン１をアシストする形で、車両の駆動力を発生させる他、発電機として、エンジン１又は車両側から駆動されて発電することができる。

より具体的には、発進・低速走行時は、主にモータ４で走行する。すなわち、バッテリ１０からの電力でモータ４を回して走行する。
通常走行時（定常走行時）は、エンジン１及びモータ４の少なくとも一方を使って最も燃費の良い走りを実現し、加速時は、両方を使って最大限のパワーを引き出して力強く加速する。

減速・制動時は、モータ４を発電機として利用し、回収したエネルギーをバッテリ１０に蓄える。
停車時は、エンジン１もモータ４も自動的に停止し、アイドル運転による無駄な燃料消費や電力消費をなくす。

エンジン１について更に詳細に説明する。
エンジン１の燃焼室１１への吸気通路１２には電制のスロットル弁１３が設けられているが、このスロットル弁１３は主に制御負圧の確保用であり、燃焼室１１への吸入空気量の制御は、吸気バルブ１４により、詳しくは後述する可変動弁機構１５による吸気バルブ１４のバルブ作動角（及びリフト量）の制御によりなされる。

エンジン１の燃焼室１１には、燃料を噴射供給する燃料噴射弁１６が設けられており、所定の噴射時期にエアフローメータにより検出される吸入空気量に対応する量の燃料が噴射され、燃焼室１１内に所定空燃比の混合気が形成される。

エンジン１の燃焼室１１には、また、混合気に点火する点火プラグ１７が設けられており、所定の点火時期に点火がなされ、混合気が燃焼する。燃焼後の排気は排気バルブ１８を介して排気通路１９へ排出される。

尚、エンジン１に対しては、冷却装置が設けられ、この冷却装置は、電動ウォータポンプ２０、熱交換器２１などを含んで構成される。
また、モータ４に対しても、冷却装置が設けられ、この冷却装置も、電動ウォータポンプ２２、熱交換器２３などを含んで構成される。

次にエンジン１の吸気バルブ１４の可変動弁機構１５について図２により説明する。
可変動弁機構としては、吸気バルブのバルブ作動角（吸気バルブ開弁時期から閉弁時期までの開期間）、詳しくはバルブ作動角及びリフト量を連続的に変化させることができるバルブ作動角及びリフト量可変機構（ＶＥＬ機構；ＶＥＬアクチュエータ４９）と、吸気バルブのバルブタイミング（バルブ作動角の中心位相）を連続的に変化させることができるバルブタイミング可変機構（ＶＴＣ機構；ＶＴＣアクチュエータ５１）とが設けられている。

詳しくは、吸気バルブ１４（１気筒につき２つ設けられており、バルブステム端部のみを図示）の端部のバルブリフタ４０の上方には、図外のクランク軸に連動して軸周りに回転駆動されるカム軸４１が気筒列方向に延在している。このカム軸４１の外周には、吸気バルブ１４に対応して揺動カム４２が揺動可能に外装されており、この揺動カム４２がバルブリフタ４０に当接してこれを押圧することにより、吸気バルブ１４が図外のバルブスプリングのバネ力に抗して開閉駆動される。

ここにおいて、カム軸４１と揺動カム４２との間で、両者４１、４２を機械的に連携するリンクの姿勢を変化させて、吸気バルブ１４のバルブ作動角及びリフト量を連続的に可変制御可能なバルブ作動角及びリフト量可変機構（ＶＥＬ機構）が設けられている。

ＶＥＬ機構は、カム軸４１に偏心して設けられてカム軸４１と一体的に回転する円形の駆動カム４３と、この駆動カム４３の外周に相対回転可能に外嵌するリング状リンク４４と、カム軸４１と略平行に気筒列方向へ延在する制御軸４５と、この制御軸４５に偏心して設けられて制御軸４５と一体的に回転する円形の制御カム４６と、この制御カム４６の外周に相対回転可能に外嵌すると共に、一端がリング状リンク４４の先端と相対回転可能に連結されたロッカアーム４７と、このロッカアーム４７の他端と揺動カム４２の先端とに回転可能に連結され、両者４７、４２を機械的に連携するロッド状リンク４８と、を有している。

上記のカム軸４１及び制御軸４５は、軸受ブラケットを介してエンジンのシリンダヘッド側へ回転可能に支持されている。制御軸４５の一端にはバルブ作動角及びリフト量変更用のアクチュエータ（ＶＥＬアクチュエータ）４９の出力端が接続されており、このＶＥＬアクチュエータ４９によって制御軸４５が所定の制御角度範囲内で軸周りに回転駆動されると共に、所定の回転位相に保持される。

このような構成により、クランク軸に連動してカム軸４１が回転すると、駆動カム４３を介してリング状リンク４４が実質的に並進作動すると共に、ロッカアーム４７が制御カム４６周りを揺動し、ロッド状リンク４８を介して揺動カム４２が揺動して、吸気バルブ１４が開閉駆動される。

また、ＶＥＬアクチュエータ４９により制御軸４５を回動することにより、ロッカアーム４７の揺動中心となる制御カム４６の中心位置が変化して、各リンク４４、４８等の姿勢が変化し、揺動カム４２の揺動角度範囲が変化する。これにより、バルブ作動角の中心位相が略一定のままで、バルブ作動角及びリフト量が連続的に変化する。より具体的には、制御軸４５を一方向へ回動することにより、バルブ作動角及びリフト量が増加し、他方向へ回動することによりバルブ作動角及びリフト量が減少するようになっている。

従って、ＶＥＬアクチュエータ４９の通電量をデューティ制御することで、制御軸４５の回転位相を変更して、吸気バルブ１４のバルブ作動角及びリフト量を変更することができ（図３参照）、これによりバルブ作動角及びリフト量可変機構（ＶＥＬ機構）が構成される。尚、バルブ作動角に対しリフト量は一義的に定められ、バルブ作動角を大→小に制御すると、リフト量も大→小に制御され、大作動角・高リフト〜小作動角・低リフトの範囲で制御できる。

一方、カム軸４１は、クランク軸の回転がタイミングベルトによりスプロケット５０に入力されて駆動されるが、バルブタイミング変更のため、スプロケット５０とカム軸４１との間に、これらの回転位相を制御可能なロータリー式のアクチュエータ（ＶＴＣアクチュエータ）５１が装着されている。

従って、ＶＴＣアクチュエータ５１の通電量をデューティ制御することで、クランク軸とカム軸４１との回転位相を変更して、吸気バルブ１４のバルブタイミング（バルブ作動角の中心位相；図３の点線示）を変更することができ、これによりバルブタイミング可変機構（ＶＴＣ機構）が構成される。

ここで、図３に示すように、ＶＥＬ機構による大作動角・高リフト〜小作動角・低リフトの制御に合わせて、ＶＴＣ機構によりバルブタイミングを進角することで、吸気バルブの開弁時期を一定に維持しつつ、大作動角・高リフト〜小作動角・低リフトに制御し、閉弁時期を進角する。

より具体的には、運転条件との関係では、低回転低負荷で、小作動角・低リフト（閉弁時期進角）、高回転高負荷で、大作動角・高リフト（閉弁時期遅角）に制御する。
図４はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６１及びハイブリッドコントロールユニット（ＨＣＵ）６２への入出力を示す図である。

ＥＣＵ６１とＨＣＵ６２は、互いに通信線を介して接続されており、情報を共有しつつ協調制御を行う。
ＥＣＵ６１への入力は、アクセル開度ＡＰＯを検出するアクセル開度センサ６３、エンジン回転数Ｎｅを検出するエンジン回転数センサ（クランク角センサ）６４、吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ６５、エンジン冷却水温ＴｗＥを検出するエンジン水温センサ６６、ＶＥＬアクチュエータ４９の実位置（実バルブ作動角）を検出するＶＥＬ位置センサ６７、ＶＴＣアクチュエータ５１の実位置（実バルブタイミング）を検出するＶＴＣ位置センサ６８などである。

ＥＣＵ６１の出力先は、スロットル弁１３、各気筒の燃料噴射弁１６、各気筒の点火プラグ１７、エンジン用電動ウォータポンプ２０、ＶＥＬアクチュエータ４９、ＶＴＣアクチュエータ５１などである。

ＥＣＵ６１によるＶＥＬアクチュエータ４９及びＶＴＣアクチュエータ５１の制御について説明すると、ＥＣＵ６１にて、運転条件に応じて目標バルブ作動角と目標バルブタイミングとを演算する。そして、目標バルブ作動角に従って、実バルブ作動角を検出しつつ、ＶＥＬアクチュエータ４９の駆動量をフィードバック制御する。また、目標バルブタイミングに従って、実バルブタイミングを検出しつつ、ＶＴＣアクチュエータ５１の駆動量をフィードバック制御する。

ＨＣＵ６２への入力は、車速ＶＳＰを検出する車速センサ６９、バッテリ１０の充電量ＳＯＣを検出する充電量センサ７０、モータ冷却水温ＴｗＭを検出するモータ水温センサ７１などである。

ＨＣＵ６２の出力先は、モータ４、バッテリ１０、モータ用電動ウォータポンプ２２などである。
図５はＥＣＵ６１にて実行される本発明制御のフローチャートである。

Ｓ１では、可変動弁機構１５、特にＶＥＬ機構（ＶＥＬアクチュエータ４９）の故障の有無を診断する。
故障診断は、運転条件に応じて算出した目標バルブ作動角と、ＶＥＬ位置センサにより検出した実バルブ作動角とを比較し、所定値以上のずれが、所定時間以上、連続してあったときに、故障と診断するようにする。この他、最小作動角を超える目標バルブ作動角の指令に対し、実バルブ作動角が最小作動角に貼り付いていることを検知して、最小作動角での固着故障を検知するようにしてもよい。

故障無しの場合は、そのまま、リターンし、通常の制御を行う。
故障有りの場合は、フェイルセーフのため、Ｓ２以降の処理を実行する。
Ｓ２では、アイドルストップを含むエンジン停止を禁止する。すなわち、正常時は、停車時にエンジン１を停止するアイドルストップを実行するが、このアイドルストップを禁止する。また、走行中のエンジン１の停止も禁止する。言い換えれば、エンジンキーＯＦＦ操作以外のエンジンの停止を禁止する。エンジンを停止させた場合の始動不良（小作動角による始動性悪化）を回避するためである。

また、モータ４の目標冷却温度を低下させる。すなわち、モータ冷却装置（電動ウォータポンプ２２及び熱交換器２３）を用い、モータ水温センサによりモータ冷却水温ＴｗＭを検出しつつ、これが目標冷却温度となるように、電動ウォータポンプ２２の運転を制御しているが、この目標冷却温度を通常値よりも低下させる。モータ４を低温に制御にして、モータ効率を向上させ、電力を最大限に活かすためである。

また、ＳＯＣ使用領域を拡大する。すなわち、バッテリ１０の充電量ＳＯＣに対しては、バッテリ１０への充電を規制するための上限値ＳＯＣmax と、バッテリ１０の使用を制限するための下限値ＳＯＣmin とを設けているが、上限値ＳＯＣmax を通常値よりも増大させ（例えば７０％→８０％）、下限値ＳＯＣmin を通常値よりも低下させる（例えば３０％→２０％）。ＳＯＣ使用領域を拡大することで、モータアシストに使える電力を最大限確保するためである。

Ｓ３では、車速センサにより検出される車速ＶＳＰを判定し、停車時（ＶＳＰ＝０）か、走行中（ＶＳＰ≠０）かを判定する。走行中（ＶＳＰ≠０）の場合は、更にＳ４へ進み、車速の変化量ΔＶＳＰ（＝今回車速−前回車速）に基づいて、加速走行時（ΔＶＳＰ＞０）か、定常走行時（ΔＶＳＰ＝０）か、減速走行時（ＶＳＰ＜０）かを判定する。

これらの判定の結果、加速走行時（ΔＶＳＰ＞０）の場合はＳ５へ、定常走行時（ΔＶＳＰ＝０）の場合はＳ６へ、減速走行時（ΔＶＳＰ＜０）の場合はＳ７へ、停車時（ＶＳＰ＝０）の場合はＳ８へ進む。

加速走行時の場合は、Ｓ５で、エンジン１及びモータ４の両方の出力で車両の駆動力を発生させるモータアシスト走行とする。すなわち、エンジン１の駆動力が加速に不十分な場合にモータ４でアシストを行う。

定常走行時の場合は、Ｓ６で、エンジン１の出力のみで車両の駆動力を発生させるエンジン走行とする。すなわち、モータ走行を禁止して、エンジン１を主駆動源として走行する。

減速走行時の場合は、Ｓ７で、モータ４により回生を行う。すなわち、モータ４を回生駆動して発電させる。このときもエンジン１の回転は維持する。
停車時（ＶＳＰ＝０）の場合は、Ｓ８で、アイドルストップ禁止を前提として、エンジン１の回転数を所定の回転数Ｎ１に制御し、余剰トルクでモータ４を駆動して発電させる。すなわち、始動不良（小作動角化による始動性悪化）を回避するためにアイドルストップを禁止する一方、モータ４による発電を行ってバッテリ１０に充電する。尚、ここでの所定回転数Ｎ１は、実際のエンジン回転数と、エンジン発生トルクと、モータ発電効率とから、最適な値に設定する。

Ｓ５〜Ｓ８の後は、Ｓ９へ進む。
Ｓ９では、エンジン水温センサによりエンジン冷却水温ＴｗＥを検出し、第１の所定温度Ｔ１以下か否かを判定する。また、Ｓ１０、エンジン冷却水温ＴｗＥが第２の所定温度Ｔ２以上か否かを判定する。尚、第２の所定温度Ｔ２は、第１の所定温度Ｔ１に対しヒステリシスを持たせた値で、Ｔ２＞Ｔ１である。

これらの判定の結果、エンジン水温ＴｗＥが高温側の所定温度である第２の所定温度以上となっている（ＴｗＥ≧Ｔ２）場合は、Ｓ１１へ進んで、エンジン用電動ウォータポンプ２０をＯＮにし、エンジン水温ＴｗＥが低温側の所定温度である第１の所定温度以下となっている（ＴｗＥ≦Ｔ１）場合は、Ｓ１２へ進んで、エンジン用電動ウォータポンプ２０をＯＦＦにする。尚、Ｔ１＜ＴｗＥ＜Ｔ２の場合は、前回の状態を保つ。

このように、電動ウォータポンプ２０をエンジン水温が低温側の第１の所定温度以下になったときに停止させつつ、エンジン水温が高温側の第２の所定温度以上となったときにのみ電動ウォータポンプ２０を作動させるようにしたので、第１の所定温度を超えるような比較的高温状態であっても、電動ウォータポンプ２０の作動を抑制することにより、電力消費を抑え、モータアシストに使える電力量を確保することが可能となる。

本実施形態によれば、吸気バルブのバルブ作動角を変化させることができる可変動弁機構の故障と診断されたときに、車両走行中及び停車時のエンジン停止を禁止することにより、再始動が困難となる事態を回避できる。また、エンジン停止を禁止することで、エンジンを主駆動源として運転し、モータ出力のみによるモータ走行を禁止でき、電力消費量の増大（バッテリ上がり）を抑制できる。

また、本実施形態によれば、加速走行時は、エンジン及びモータの両方の出力で車両の駆動力を発生させるモータアシスト走行とすることにより、小作動角によるエンジントルクの低下をモータによりアシストして、必要十分な加速走行が可能となる。

また、本実施形態によれば、定常走行時は、エンジンの出力のみで車両の駆動力を発生させるエンジン走行とすることにより、電力消費を抑え、モータアシスト時に使える電力量をより多く確保することができる。

また、本実施形態によれば、減速走行時は、モータを回生駆動して発電させることにより、バッテリの充電量を確保して、モータアシスト時に使える電力量をより多く確保することができる。

また、本実施形態によれば、停車時は、エンジン回転数を所定の回転数に制御し、余剰トルクでモータを駆動して発電させることにより、エンジンを停止させないだけでなく、バッテリの充電量を確保して、モータアシスト時に使える電力量をより多く確保することができる。

また、本実施形態によれば、エンジン冷却装置として、電動ウォータポンプを備え、エンジン水温が比較的高温側であっても、前記電動ウォータポンプを停止させ、作動を抑制することにより、電力消費量を抑え、モータアシスト時に使える電力量をより多く確保することができる。

また、本実施形態によれば、モータ冷却装置を備え、これによるモータの目標冷却温度を通常値よりも低下させることにより、モータ効率を向上させ、電力量を最大限に活かすことができる。

また、本実施形態によれば、バッテリへの充電を規制するためのバッテリ充電量の上限値を通常値よりも増大させると共に、バッテリの使用を制限するためのバッテリ充電量の下限値を通常値よりも低下させることにより、モータアシストに使える電力量を最大限確保することができる。

本発明の一実施形態を示すハイブリッド車両の構成図 可変動弁機構の概略斜視図 可変動弁機構によるバルブリフト特性図 エンジンコントロールユニット等の入出力を示す図 本発明制御のフローチャート

符号の説明

１ エンジン
２ 出力軸
３ 第１クラッチ
４ モータ
５ 第２クラッチ
６ 自動変速機
７ ディファレンシャル装置
８ 車輪の駆動軸
９ インバータ
１０ バッテリ
１１ 燃焼室
１２ 吸気通路
１３ スロットル弁
１４ 吸気バルブ
１５ 可変動弁機構
１６ 燃料噴射弁
１７ 点火プラグ
１８ 排気バルブ
１９ 排気通路
２０ エンジン冷却用の電動ウォータポンプ
２１ エンジン冷却用の熱交換器
２２ モータ冷却用の電動ウォータポンプ
２３ モータ冷却用の熱交換器
４０ バルブリフタ
４１ カム軸
４２ 揺動カム
４３ 駆動カム
４４ リンク
４５ 制御軸
４７ ロッカアーム
４８ リンク
４９ ＶＥＬアクチュエータ
５０ スプロケット
５１ ＶＴＣアクチュエータ
６１ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
６２ ハイブリッドコントロールユニット（ＨＣＵ）
６３ アクセル開度センサ
６４ エンジン回転数センサ
６５ エアフローメータ
６６ エンジン水温センサ
６７ ＶＥＬ位置センサ
６８ ＶＴＣ位置センサ
６９ 車速センサ
７０ 充電量センサ
７１ モータ水温センサ

Claims (8)

1. 運転条件に応じて吸気バルブのバルブ作動角を変化させることができる可変動弁機構を有するエンジンと、発電機を兼ねるモータと、モータへの駆動用電力の供給とモータからの発電電力の充電とが可能なバッテリとを備え、前記エンジン及び前記モータの少なくとも一方の出力で車両の駆動力を発生させて走行するハイブリッド車両において、
   前記可変動弁機構の故障を診断する故障診断手段と、
   前記可変動弁機構の故障と診断されたときに、車両走行中及び停車時のエンジン停止を禁止するフェイルセーフ手段と、
   を設けたことを特徴とするハイブリッド車両。
2. 前記フェイルセーフ手段は、加速走行時は、エンジン及びモータの両方の出力で車両の駆動力を発生させるモータアシスト走行とすることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド車両。
3. 前記フェイルセーフ手段は、定常走行時は、エンジンの出力のみで車両の駆動力を発生させるエンジン走行とすることを特徴とする請求項２記載のハイブリッド車両。
4. 前記フェイルセーフ手段は、減速走行時は、モータを回生駆動して発電させることを特徴とする請求項３記載のハイブリッド車両。
5. 前記フェイルセーフ手段は、停車時は、エンジン回転数を所定の回転数に制御し、余剰トルクでモータを駆動して発電させることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のハイブリッド車両。
6. エンジン冷却装置として、電動ウォータポンプを備え、
   前記フェイルセーフ手段は、エンジン水温が第１の所定温度より低い時に、前記電動ウォータポンプを停止させつつ、エンジン水温が前記第１の所定温度よりも高温の第２の所定温度より高い時に、前記電動ウォータポンプを作動させることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のハイブリッド車両。
7. モータ冷却装置を備え、
   前記フェイルセーフ手段は、前記モータ冷却装置によるモータの目標冷却温度を通常値よりも低下させることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のハイブリッド車両。
8. 前記フェイルセーフ手段は、バッテリへの充電を規制するためのバッテリ充電量の上限値を通常値よりも増大させると共に、バッテリの使用を制限するためのバッテリ充電量の下限値を通常値よりも低下させることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載のハイブリッド車両。

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