JP2011047348A

JP2011047348A - 自動車

Info

Publication number: JP2011047348A
Application number: JP2009197957A
Authority: JP
Inventors: Takanori Aoki; 孝典青木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2011-03-10

Abstract

【課題】冷間時に内燃機関を始動するときに内燃機関をよりスムーズに始動する。
【解決手段】エンジンの始動が要請されたときにエンジンの冷却水温Ｔｗが閾値Ｔｒｅｆ未満で且つバッテリの出力制限Ｗｏｕｔが閾値Ｗｒｅｆ未満の冷間時には（Ｓ１００，Ｓ１１０）、二段階始動制御として（Ｓ１４０）、エンジンへの燃料噴射を伴わずにバッテリの出力制限Ｗｏｕｔより小さい（制限が課された）制限値の範囲内でエンジンが車両の共振回転数帯より小さい所定回転数で回転するようエンジンとモータとを制御する低回転制御をエンジンの回転抵抗が減少するのに要する予め定められた時間に亘って実行した後に冷間時でないときに実行される通常始動制御（Ｓ１３０）を実行する。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車に関する。

従来、この種の自動車としては、エンジンとこのエンジンをギヤ機構を介してクランキング可能なモータとを備え、エンジンの始動が要請されたときには、モータから徐々に大きくなるトルクを出力してギヤ機構のガタ詰めを行ない、その後、モータから大きなトルクを出力してエンジンの回転数を迅速に上昇させエンジンを始動するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この自動車では、こうした制御により、ギヤ機構からの異音の発生を抑制してエンジンをスムーズに始動している。

特開２００６−３１５５１０号公報

こうした自動車では、外気温が例えば−１０℃以下となるような冷間時には、バッテリの出力可能な最大電力が小さくなると共に内燃機関の潤滑油の粘性が高くなってその回転抵抗が大きくなるため、バッテリの出力制限の範囲内でモータから最大のパワーを出力しても車両の共振回転数帯を迅速に通過させることができず、内燃機関の出力軸に大きなねじれを生じさせたり乗員に違和感を与える場合がある。

本発明の自動車は、冷間時に内燃機関を始動するときに内燃機関をよりスムーズに始動することを主目的とする。

本発明の自動車は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の自動車は、
内燃機関と、前記内燃機関をクランキングするクランキングモータと、前記クランキングモータと電力のやりとりが可能なバッテリと、冷間時に前記バッテリの温度が低いほど制限が課される傾向に該バッテリの出力制限を設定する出力制限設定手段と、前記内燃機関の始動が要請されたときには前記設定された出力制限の範囲内で前記クランキングモータにより前記内燃機関がクランキングされて前記内燃機関の回転数が車両の共振回転数帯より大きい回転数である条件を含む予め定められた燃料噴射条件が成立したときに前記内燃機関への燃料噴射と点火とが開始されるよう前記内燃機関と前記クランキングモータとを制御する始動制御を実行する始動制御手段と、を備える自動車において、
前記始動制御手段は、前記内燃機関の始動が要請されたときに該内燃機関が所定の低温状態で且つ前記設定された出力制限が所定制限値より制限されているときには、前記内燃機関への燃料噴射を伴わずに前記設定された出力制限より制限が課された強化出力制限の範囲内で前記クランキングモータにより前記内燃機関が前記車両の共振回転数帯より小さい予め定められた回転数で回転するよう前記内燃機関と前記クランキングモータとを制御する低回転制御を前記内燃機関の回転抵抗が減少するのに要する予め定められた時間に亘って実行した後に前記始動制御を実行する手段である、
ことを特徴とする。

この本発明の自動車では、内燃機関の始動が要請されたときに内燃機関が所定の低温状態で且つバッテリの出力制限が所定制限値より制限されているときには、内燃機関への燃料噴射を伴わずにバッテリの出力制限より制限が課された強化出力制限の範囲内で内燃機関が車両の共振回転数帯より小さい予め定められた回転数で回転するよう内燃機関とクランキングモータとを制御する低回転制御を内燃機関の回転抵抗が減少するのに要する予め定められた時間に亘って実行する。これにより、バッテリから大きな電力が持ち出されることなく内燃機関の回転抵抗を減少させることができる。そして、低回転制御を予め定められた時間に亘って実行した後に、バッテリの出力制限の範囲内でクランキングモータにより内燃機関がクランキングされると共に内燃機関の回転数が車両の共振回転数帯より大きい回転数である条件を含む予め定められた燃料噴射条件が成立したときに内燃機関への燃料噴射と点火とが開始されるよう内燃機関とクランキングモータとを制御する始動制御を実行する。これにより、内燃機関の回転抵抗を減少させた状態で始動制御を実行することができ、冷間時においてもクランキングモータによって内燃機関を車両の共振回転数帯より大きい回転数まで迅速にクランキングすることができる。即ち、冷間時に内燃機関を始動するときに内燃機関をよりスムーズに始動することができるのである。

本発明の一実施例としてのハイブリッド自動車２０の構成の概略を示す構成図である。ハイブリッド用電子制御ユニット５０により実行される始動時制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。冷間時にエンジン３２の始動が要請されたときのバッテリ４８の制御上の出力制限Ｗｏｕｔやエンジン３２の回転数，モータ４１のトルク指令の時間経過の様子の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としてのハイブリッド自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例のハイブリッド自動車２０は、図示するように、ガソリンや軽油などを燃料とするエンジン３２と、エンジン３２を駆動制御するエンジン用電子制御ユニット３６と、エンジン３２のクランクシャフトにキャリアが接続されると共に駆動輪２６ａ，２６ｂにデファレンシャルギヤ２４を介して連結された駆動軸２２にリングギヤが接続されたプラネタリギヤ３８と、例えば同期発電電動機として構成されて回転子がプラネタリギヤ３８のサンギヤに接続されたモータ４１と、例えば同期発電電動機として構成されて回転子が駆動軸２２に接続されたモータ４２と、モータ４１，４２を駆動するためのインバータ４３，４４と、インバータ４３，４４の図示しないスイッチング素子をスイッチング制御することによってモータ４１，４２を駆動制御するモータ用電子制御ユニット４６と、インバータ４３，４４を介してモータ４１，４２と電力をやりとりするバッテリ４８と、シフトレバーのポジションを検出するシフトポジションセンサ５２からのシフトポジションやアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ５４からのアクセル開度，ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ５６からのブレーキポジション，車速センサ５８からの車速を入力すると共にエンジン用電子制御ユニット３６やモータ用電子制御ユニット４６と通信して車両全体を制御するハイブリッド用電子制御ユニット５０と、を備える。

実施例のハイブリッド自動車２０は、基本的には、ハイブリッド用電子制御ユニット５０によって実行される以下に説明する駆動制御によって走行する。ハイブリッド用電子制御ユニット５０では、まず、アクセルペダルポジションセンサ５４からのアクセル開度と車速センサ５８からの車速とに応じて走行のために駆動軸２２に要求される要求トルクを設定し、要求トルクに駆動軸２２の回転数（例えば、モータ４２の回転数や車速に換算係数を乗じて得られる回転数）を乗じて走行に要求される走行用パワーを計算すると共に計算した走行用パワーからバッテリ４８の蓄電量（ＳＯＣ）に応じて得られるバッテリ４８を充放電するための補正パワー（バッテリ４８から放電するときが正の値）を減じてエンジン３２から出力すべきパワーとしてのエンジン指令パワーを設定する。そして、エンジン指令パワーをエンジン３２を始動するための始動用閾値やエンジン３２の運転を停止するための停止用閾値と比較し、エンジン３２の運転を停止しているときにエンジン指令パワーが始動用閾値を超えたときにはエンジン３２を始動し、エンジン３２を運転しているときにエンジン指令パワーが停止用閾値を下回ったときにはエンジン３２の運転を停止する。エンジン３２の運転を継続しているときやエンジン３２を始動した後は、エンジン指令パワーを効率よくエンジン３２から出力することができるエンジン３２の回転数とトルクとの関係としての動作ライン（例えば燃費最適動作ライン）を用いてエンジン３２の目標回転数と目標トルクとを設定し、バッテリ４８を充放電することができる最大電力としての入出力制限の範囲内で、エンジン３２の回転数が目標回転数となるようにするための回転数フィードバック制御によりモータ４１から出力すべきトルクとしてのトルク指令を設定すると共に、要求トルクからモータ４１をトルク指令で駆動したときにプラネタリギヤ３８を介して駆動軸２２に作用するトルクを減じて得られるトルクをモータ４２のトルク指令に設定する。そして、設定したエンジン３２の目標回転数と目標トルクとについてはエンジン用電子制御ユニット３６に送信し、モータ４１，４２のトルク指令についてはモータ用電子制御ユニット４６に送信する。目標回転数と目標トルクとを受信したエンジン用電子制御ユニット３６は、目標回転数と目標トルクとによってエンジン３２が運転されるようエンジン３２の吸入空気量制御や燃料噴射制御，点火制御などを実行し、モータ４１，４２のトルク指令を受信したモータ用電子制御ユニット４６は、モータ４１，４２がトルク指令で駆動されるようインバータ４３，４４のスイッチング素子をスイッチング制御する。一方、エンジン３２の運転停止を継続しているときやエンジン３２の運転を停止した後は、モータ４１のトルク指令に値０を設定すると共にバッテリ４８の入出力制限の範囲内で要求トルクをモータ４２のトルク指令に設定し、設定したモータ４１，４２のトルク指令をモータ用電子制御ユニット４６に送信する。モータ４１，４２のトルク指令を受信したモータ用電子制御ユニット４６は、モータ４１，４２がトルク指令で駆動されるようインバータ４３，４４のスイッチング素子をスイッチング制御する。実施例のハイブリッド自動車２０は、こうした制御により、エンジン３２の間欠運転を伴ってバッテリ４８の入出力制限の範囲内でバッテリを充放電しながらアクセル開度に応じた要求トルクを駆動軸２２に出力して走行する。なお、以下の説明においても、モータ４１，４２のトルク指令を受信したモータ用電子制御ユニット４６は、モータ４１，４２がトルク指令で駆動されるようインバータ４３，４４のスイッチング素子をスイッチング制御するものとする。

次に、実施例のハイブリッド自動車２０におけるエンジン３２を始動するときの制御について説明する。図２は、エンジン３２の運転を停止しているときにエンジン指令パワーが始動用閾値を超えたときなどエンジン３２の始動が要請されたときにハイブリッド用電子制御ユニット５０により実行される始動時制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンが実行されると、ハイブリッド用電子制御ユニット５０は、図示しない水温センサにより検出されたエンジン３２の冷却水温Ｔｗとバッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔとを入力し（ステップＳ１００）、入力したエンジン３２の冷却水温Ｔｗを閾値Ｔｒｅｆと比較すると共に（ステップＳ１１０）、バッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔを閾値Ｗｒｅｆと比較する（ステップＳ１２０）。ここで、バッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔは、バッテリ４８の温度とバッテリ４８の蓄電量（ＳＯＣ）とに基づいてバッテリ４８の温度がバッテリ４８の適正温度範囲外のとき（例えば、冷間時など）には適正温度範囲内のときに比して制限が課される傾向に且つバッテリ４８の蓄電量（ＳＯＣ）が所定蓄電量（例えば、４０％や４５％など）未満のときには蓄電量（ＳＯＣ）が小さいほど制限が課される傾向に設定して図示しない記憶領域に格納されたものを読み込むことにより入力するものとした。また、閾値Ｔｒｅｆおよび閾値Ｗｒｅｆは、バッテリ５０の出力制限Ｗｏｕｔの範囲内でモータ４１から最大の電力を出力しても車両の共振回転数帯（例えば、２００ｒｐｍ〜３００ｒｐｍなど）を通過させてエンジン３２をクランキングすることができない可能性がある冷却水温Ｔｗおよび出力制限Ｗｏｕｔの上限近傍の値としてそれぞれエンジン３２の特性などに基づいて予め定められた値を用いることができる。これは、バッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔが小さい（制限が強い）ときにはモータ４１から出力可能なトルクが小さくなることとエンジン３２の冷却水温Ｔｗが低いときにはエンジン３２の潤滑油の粘性が高くなってその回転抵抗が大きくなることとに基づく。

エンジン３２の冷却水温Ｔｗが閾値Ｔｒｅｆ以上のときやエンジン３２の冷却水温Ｔｗが閾値Ｔｒｅｆ未満であってもバッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔが閾値Ｗｒｅｆ以上のときには、バッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔの範囲内でモータ４１により車両の共振回転数帯を通過させてエンジン３２を始動することができると判断し、通常始動制御を実行して（ステップＳ１３０）、始動時制御ルーチンを終了する。通常始動制御では、具体的には、ハイブリッド用電子制御ユニット５０は、車両の共振回転数帯を迅速に通過させてエンジン２２が始動されるように予め定められた始動用トルクがバッテリ４８の出力制限の範囲内でモータ４１から出力されるようモータ４１のトルク指令を設定してモータ用電子制御ユニット４６に送信する。そして、モータ４１によってエンジン３２がクランキングされ、エンジン３２の回転数が車両の共振回転数帯より大きい燃料噴射回転数（例えば、６００ｒｐｍや７００ｒｐｍなど）に至ったときにエンジン用電子制御ユニット３４に燃料噴射開始指示を送信し、エンジン３２が完爆したときにエンジン３２の始動を完了したと判断して通常始動制御を終了する。燃料噴射開始指示を受信したエンジン用電子制御ユニット３４は、エンジン３２への燃料噴射制御や点火制御を開始する。こうした制御により、エンジン３２の冷却水温Ｔｗが閾値Ｔｒｅｆ以上でエンジン３２の回転抵抗が比較的小さいときや、エンジン３２の回転抵抗が比較的大きくてもバッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔが閾値Ｔｒｅｆ以上でモータ４１から比較的大きいパワーが出力できるときには、モータ４１のクランキングにより車両の共振回転数帯を迅速に通過させてエンジン３２を始動することができる。なお、通常始動制御や後述する二段階始動制御では、モータ４２については、上述の駆動制御と同様に駆動軸２２に要求トルクが出力されるようトルク指令を設定して駆動したり、車両の停止が確保されているときであれば値０をトルク指令に設定してモータ４２の駆動を停止したりするものとすればよいが、こうしたモータ４２の制御については、本発明の中核をなさないから、その詳細な説明は省略する。

一方、ステップＳ１１０，Ｓ１２０でエンジン３２の冷却水温Ｔｗが閾値Ｔｒｅｆ未満で且つバッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔが閾値Ｗｒｅｆ未満の冷間時には、バッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔの範囲内でモータ４１から最大のパワーを出力しても車両の共振回転数帯を通過させてエンジン３２をクランキングすることができない可能性があると判断し、二段階始動制御を実行して（ステップＳ１４０）、始動時制御ルーチンを終了する。二段階始動制御では、具体的には、ハイブリッド用電子制御ユニット５０は、まず、バッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔより小さい（制限が課された）制限値Ｗｃｏｌｄの範囲内でエンジン３２の回転数が所定回転数Ｎ１となるようにフィードバック制御によりモータ４１のトルク指令を設定してモータ用電子制御ユニット４６に送信する低回転制御を実行する。これは、エンジン３２を回転させることによりエンジン３２の図示しないシリンダとピストンとのフリクションを低減させるために行なうものであり、所定回転数Ｎ１としては、乗員に違和感を与えないよう車両の共振回転数帯より小さい予め定められた回転数（例えば、１００ｒｐｍや１５０ｒｐｍなど）を用いることができる。また、制限値Ｗｃｏｌｄは、エンジン３２を所定回転数Ｎ１で回転させることができる出力制限Ｗｏｕｔのうち比較的小さい値として予め定められた値を用いることができる。こうした制御により、バッテリ４８から大きな電力が持ち出されることなく、エンジン３２を回転させてエンジン３２の回転抵抗を小さくすることができる。そして、こうした低回転制御をエンジン３２の回転抵抗を小さくするのに要する予め定められた時間（例えば、数秒など）に亘って実行した後に、上述した通常始動制御を実行し、エンジン２２の始動を完了したときに二段階始動制御を終了する。これにより、エンジン３２の冷却水温Ｔｗが閾値Ｔｒｅｆ未満でエンジン３２の回転抵抗が比較的大きい冷間時にエンジン３２の始動が要請されたときであってもエンジン３２の回転抵抗を減少させて通常始動制御を実行することができ、車両の共振回転数帯を迅速に通過させてエンジン３２をよりスムーズに始動することができる。

図３に、冷間時にエンジン３２の始動が要請されたときのバッテリ４８の制御上の出力制限やエンジン３２の回転数，モータ４１のトルク指令の時間経過の様子の一例を示す。冷間時にエンジン３２の始動が要請されたときには、図示するように、エンジン３２の回転抵抗を減少させるのに要する時間が経過するまでは、バッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔより小さい（制限が課された）制限値Ｗｃｏｌｄの範囲内でエンジン３２が車両の共振回転数帯より小さい所定回転数Ｎ１で回転するようモータ４１のトルク指令が設定される（時刻ｔ１〜時刻ｔ２）。これにより、バッテリ４８から大きな電力が持ち出されることなくエンジン３２の回転抵抗を減少させることができる。そして、こうした低回転制御を予め定められた時間に亘って実行した後に通常始動制御を実行するから（時刻ｔ３〜時刻ｔ４）、冷間時にエンジン３２の始動が要請されたときであってもエンジン３２の回転抵抗を減少させた状態で通常始動制御を実行することができ、モータ４１からの出力によって車両の共振回転数帯を迅速に通過させてエンジン３２をよりスムーズに始動することができる。

以上説明した実施例のハイブリッド自動車２０では、エンジン３２の始動が要請されたときにエンジン３２の冷却水温Ｔｗが閾値Ｔｒｅｆ未満で且つバッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔが閾値Ｗｒｅｆ未満のときには、エンジン３２への燃料噴射を伴わずにバッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔより小さい（制限が課された）制限値Ｗｃｏｌｄの範囲内でエンジン３２が車両の共振回転数帯より小さい所定回転数Ｎ１で回転するようエンジン３２とモータ４１とを制御する低回転制御をエンジン３２の回転抵抗が減少するのに要する予め定められた時間に亘って実行した後に通常始動制御を実行するから、冷間時にエンジン３２の始動が要請されたときでもエンジン３２の回転抵抗を減少させた状態で通常始動制御を実行することができ、エンジン３２をよりスムーズに始動することができる。

実施例では、本発明の内容をエンジン３２とモータ４１，４２とを備えるハイブリッド自動車２０に適用して説明したが、本発明の内容は、内燃機関と、内燃機関をクランキングするクランキングモータと、クランキングモータと電力のやりとりが可能なバッテリと、を備える自動車に適用するものとすればよく、例えば、無段変速機または有段変速機を介して車軸に接続されたエンジン３２と、エンジン３２のクランクシャフト３４に接続されてエンジン３２をクランキング可能なモータ４１と、を備える自動車に適用するものとしてもよい。

ここで、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、エンジン３２が「内燃機関」に相当し、モータＭＧ１が「クランキングモータ」に相当し、バッテリ４８が「バッテリ」に相当し、バッテリ４８の温度とバッテリ４８の蓄電量（ＳＯＣ）とに基づいてバッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔを設定するハイブリッド用電子制御ユニット５０が「出力制限設定手段」に相当し、エンジン３２の始動が要請されたときにエンジン３２の冷却水温Ｔｗが閾値Ｔｒｅｆ未満で且つバッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔが閾値Ｗｒｅｆ未満の冷間時には、エンジン３２への燃料噴射を伴わずにバッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔより小さい（制限が課された）制限値Ｗｃｏｌｄの範囲内でエンジン３２が車両の共振回転数帯より小さい所定回転数Ｎ１で回転するように予め定められた時間に亘ってフィードバック制御によりモータＭＧ１のトルク指令を設定してモータＥＣＵ４６に送信し、所定時間が経過した後にバッテリ４８の出力制限Ｗｏｕｔの範囲内でモータＭＧ１の出力により車両の共振回転数帯を通過してエンジン３２がクランキングされるようモータＭＧ１のトルク指令を設定してモータＥＣＵ４６に送信すると共にエンジン３２の回転数が燃料噴射回転数に至ったときにエンジンＥＣＵ３６に燃料噴射開始指示を送信するハイブリッド用電子制御ユニット５０と燃料噴射開始指示に基づいてエンジン３２への燃料噴射や点火を開始するエンジンＥＣＵ３６とトルク指令に基づいてモータ４１のインバータ４３をスイッチング制御するモータＥＣＵ４６とが「始動制御手段」に相当する。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、自動車の製造産業などに利用可能である。

２０ハイブリッド自動車、２２駆動軸、２４デファレンシャルギヤ、２６ａ，２６ｂ駆動輪、３２エンジン、３４クランクシャフト、３５ダンパ、３６エンジン用電子制御ユニット、３８プラネタリギヤ、４１，４２モータ、４３，４４インバータ、４６モータ用電子制御ユニット、４８バッテリ、４９温度センサ、５０ハイブリッド用電子制御ユニット、５２シフトポジションセンサ、５４アクセルペダルポジションセンサ、５６ブレーキペダルポジションセンサ、５８車速センサ。

Claims

内燃機関と、前記内燃機関をクランキングするクランキングモータと、前記クランキングモータと電力のやりとりが可能なバッテリと、冷間時に前記バッテリの温度が低いほど制限が課される傾向に該バッテリの出力制限を設定する出力制限設定手段と、前記内燃機関の始動が要請されたときには前記設定された出力制限の範囲内で前記クランキングモータにより前記内燃機関がクランキングされて前記内燃機関の回転数が車両の共振回転数帯より大きい回転数である条件を含む予め定められた燃料噴射条件が成立したときに前記内燃機関への燃料噴射と点火とが開始されるよう前記内燃機関と前記クランキングモータとを制御する始動制御を実行する始動制御手段と、を備える自動車において、
前記始動制御手段は、前記内燃機関の始動が要請されたときに該内燃機関が所定の低温状態で且つ前記設定された出力制限が所定制限値より制限されているときには、前記内燃機関への燃料噴射を伴わずに前記設定された出力制限より制限が課された強化出力制限の範囲内で前記クランキングモータにより前記内燃機関が前記車両の共振回転数帯より小さい回転数で回転するよう前記内燃機関と前記クランキングモータとを制御する低回転制御を前記内燃機関の回転抵抗が減少するのに要する予め定められた時間に亘って実行した後に前記始動制御を実行する手段である、
ことを特徴とする自動車。