JP2013056620A - ハイブリッド自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド自動車において、システム全体の効率を低減することなく、エミッション性能を向上させる。
【解決手段】ハイブリッド自動車１００は、車輪駆動軸６３ａにトルクを伝えるエンジン１と、車輪駆動軸６３ａにトルクを伝える及びモータ・ジェネレータ５と、エンジン１の排気通路６５に設けられた三元触媒６６ａと、エンジン１及びモータ・ジェネレータ５を制御するコントローラ４とを備えている。コントローラ４は、三元触媒６６ａの活性化が必要なときには、車両要求トルクに余剰トルクを加えたトルクを出力する運転状態で且つ９５％燃費率の運転領域Ａ内に含まれる運転状態でエンジン１を運転し、余剰トルクでモータ・ジェネレータ５を駆動して発電を行う。
【選択図】図５

Description

本発明は、エンジンとモータ・ジェネレータとを備えたパラレル式ハイブリッド自動車に関するものである。

従来より、エンジンとモータ・ジェネレータとを備えたハイブリッド自動車が知られている。このようなハイブリッド自動車の１つに、パラレル式ハイブリッド自動車がある（例えば、特許文献１）。パラレル式ハイブリッド自動車では、エンジンとモータ・ジェネレータとが駆動源として併用される。そのため、ハイブリッド式自動車によれば、環境負荷となるエミッションの低減が図られる。

特開２００４−２７８４９号公報

ところで、エンジンの冷間時には、燃焼安定性が悪いため、エミッション性能が悪化するという問題がある。その上、排気通路には一般的に、触媒が設けられているが、冷間時は触媒の温度が低く、活性が低い。つまり、冷間時には、触媒を早期に活性化させる必要がある。これは、ハイブリッド自動車であっても同様である。

さらに、ハイブリッド自動車は、エンジンの代わりにモータ・ジェネレータにより走行する場合があり、即ち、エンジンが停止する状況がよくある。このことからも、触媒が活性化され難いという問題がある。

その一方で、触媒の活性化だけを目指して改善を行うと、ハイブリッド自動車のシステム全体の効率を低下させる虞がある。

ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ハイブリッド自動車において、システム全体の効率を低減することなく、エミッション性能を向上させることにある。

ここに開示された技術は、パラレル式のハイブリッド自動車である。このハイブリッド自動車は、車輪駆動軸にトルクを伝えるエンジンと、車輪駆動軸にトルクを伝える及びモータ・ジェネレータと、前記エンジンの排気通路に設けられた触媒と、前記エンジン及びモータ・ジェネレータを制御する制御器とを備え、前記制御器は、前記触媒の活性化が必要なときには、車両要求トルクに余剰トルクを加えたトルクを出力する運転状態で且つ該所定の燃費率の運転領域内に含まれる運転状態で前記エンジンを運転し、該余剰トルクで前記モータ・ジェネレータを駆動して発電を行うものとする。

前記の構成によれば、前記触媒の活性化が必要なときには、車両要求トルクに余剰トルクを加えることによって出力トルクが上昇すると共に、エンジンが所定の燃費率の運転領域内に含まれる運転状態で運転される。その結果、車両要求トルクに相当する運転状態で運転する場合に比べて、発熱量が上昇し、触媒の活性化が促進される。このとき、エンジンは、所定の燃費率の運転領域内の運転状態で運転されるため、エンジンを所定の燃費率以上の燃費率で運転することができる。それに加えて、このとき発生する余剰トルクは、モータ・ジェネレータによる発電に用いられるため、エンジンの出力トルクを無駄にすることがない。その結果、ハイブリッド自動車のシステム全体の効率を向上させることができる。

前記エンジンは、低負荷の運転領域にあるときにリーン運転を行うように構成されており、前記モータ・ジェネレータの発電効率が最高となる回転数は、前記エンジンの燃費率が最高燃費率に対して９５％以上となる運転領域のうち低回転側部分の回転数範囲内に入るように構成されていることが好ましい。

ここで、「低負荷」とは、エンジンの運転領域を低負荷領域及び高負荷領域の２つに分けたときの低負荷領域に相当するとしてもよい。

前記ハイブリッド自動車においては、エンジンとモータ・ジェネレータとの両方が同時に作動する場合がある。例えば、エンジンを車両要求トルク以上の負荷で運転して、余剰トルクでモータ・ジェネレータを作動させることによって、駆動輪を駆動しつつ、発電を行う場合がある。この場合、モータ・ジェネレータは、エンジンの回転数に近い回転数で回転することがよくある。そのため、モータ・ジェネレータの最高発電効率点の回転数をエンジンの燃費率の高い運転領域の回転数範囲内に設定することによって、エンジンを燃費率の高い運転領域で運転しつつ、同時に、モータ・ジェネレータも発電効率が高い回転数で運転することができる。ここで、前記の構成によれば、エンジンは、低負荷の運転領域でリーン運転を行うため、低負荷の運転領域における燃費率が改善されている。その結果、エンジンの燃費率の高い運転領域は、低負荷側に、さらには、低回転側に拡大される。エンジンの燃費率の高い運転領域が回転数方向に拡大されると、モータ・ジェネレータの最高発電効率点の回転数をエンジンの燃費率の高い運転領域の回転数範囲内に設定する際に、設定の自由度が広がる。ここで、トランスミッションの抵抗は回転数が高くなるにつれて大きくなる。つまり、モータ・ジェネレータの最高発電効率の回転数をエンジンの燃費率の高い運転領域の低回転側部分の回転数範囲内に設定することによって、エンジンとモータ・ジェネレータを高効率で運転する際のトランスミッションの抵抗を低減することができる。こうして、エンジン、モータ・ジェネレータ及びトランスミッションを同時に高効率で運転することができる。

そして、このような仕様の場合、エンジン及びモータ・ジェネレータは低回転側で効率が良いため、エンジンは比較的低回転で運転される傾向にある。また、冷機時には、車両の要求パワーが小さい場合も多く、このことからも、エンジンは比較的低回転で運転されることが多い。その一方で、エンジンは、高回転側に比べて低回転側の運転領域では、冷機時の燃焼安定性が悪くなる傾向にあり、エミッション性能が悪化する。また、エンジンは、高回転側に比べて低回転側の運転領域では、単位時間当たりの発熱量が低いため、触媒が活性化し難い。そのため、前記の仕様の場合、触媒を早期に活性化させる必要性が高くなる。したがって、前記の仕様のエンジンにおいては、余剰トルクを加えた出力トルクで運転することにより発熱量を増加させることが非常に効果的である。

さらに、エンジン冷機時には、前述の如く、低回転側及び低負荷側での燃焼安定性が悪化することから、低回転数及び低負荷の運転領域の燃費率が悪化する。換言すると、前記の仕様の場合、エンジンは、冷機時に燃費率が悪化しやすい運転領域で運転される場合が多い。したがって、前記の仕様のエンジンにおいては、システム全体の効率の観点からも、余剰トルクを加えた出力トルクで運転することが非常に効果的である。

また、前記ハイブリッド自動車は、バッテリと、前記バッテリの温度を検出する温度検出手段と、前記排気通路において前記触媒の上流側に設けられた触媒ヒータとをさらに備え、前記制御器は、前記温度検出手段により検出された前記バッテリの温度が所定の閾値以下のときには、前記モータ・ジェネレータにより発電された電力を、前記バッテリを介することなく、前記触媒ヒータに供給する一方、前記温度検出手段により検出された前記バッテリの温度が該所定の閾値よりも高く且つ前記バッテリの充電容量があるときには、前記モータ・ジェネレータにより発電された電力で前記バッテリを充電するようにしてもよい。

前記の構成の場合、触媒ヒータを設けることによって、触媒の活性化をより一層促進することができる。さらに、触媒の活性化が必要なときには、外気温が低く、バッテリ温度が低い場合が多い。そのような場合には、バッテリの内部抵抗の増大により充電ロスが増大し、充電能力が低下してしまう。そこで、バッテリ温度が所定の閾値以下のときには、モータ・ジェネレータにより発電された電力を、バッテリを介することなく、触媒ヒータに供給している。こうすることによって、充電ロスを回避し、モータ・ジェネレータにより発電した電力を有効に活用することができる。

さらに、前記ハイブリッド自動車は、バッテリと、前記バッテリの温度を検出する温度検出手段と、車室の空調用ヒータとをさらに備え、前記制御器は、前記エンジンの冷機時であって且つ前記温度検出手段により検出された前記バッテリの温度が所定の閾値以下のときには、前記モータ・ジェネレータにより発電された電力を、前記バッテリを介することなく、前記空調用ヒータに供給する一方、前記エンジンの冷機時であって且つ前記温度検出手段により検出された前記バッテリの温度が該所定の閾値よりも高く且つ前記バッテリの充電容量があるときには、前記モータ・ジェネレータにより発電された電力で前記バッテリを充電するようにしてもよい。

エンジンの冷機時には、外気温が低く、バッテリ温度が低い場合が多い。そのような場合には、前述の如く、バッテリの内部抵抗の増大により充電ロスが増大し、充電能力が低下してしまう。さらに、エンジンの冷機時には、車室内の気温も低い場合が多い。そこで、前記の構成では、エンジンの冷機時であって且つバッテリ温度が所定の閾値以下のときには、モータ・ジェネレータにより発電された電力を、空調用ヒータに供給する。こうすることによって、充電ロスを回避しつつ、車室の気温を早期に上昇させることができる。

前記ハイブリッド自動車によれば、触媒の活性化が必要なときには、エンジンを車両要求トルクよりも高い出力トルクで且つ高い燃費率で運転することによって、発熱量を上昇させて、触媒の活性化を促すことができる。さらに、余剰トルクで発電することもできる。その結果、ハイブリッド自動車におけるシステム全体の効率を向上させつつ、エミッション性能を向上させることができる。

ハイブリッド自動車の動力伝達系の概略構成図である。 エンジン・システムの構成の概略図である。 エンジン及びモータ・ジェネレータの効率特性を示す図であって、（Ａ）は、エンジンの燃費率特性マップであり、（Ｂ）は、モータ・ジェネレータの発電効率マップである。 トランスミッションの入力回転に対するロスパワーの関係を示すグラフである。 触媒活性化の要求運転時における運転状態の変化を示す、エンジンの燃費率特性マップである。

以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に、ハイブリッド自動車の動力伝達系の概略構成図を示す。

ハイブリッド自動車１００は、ガソリンエンジン（以下、単に「エンジン」という）１と、クラッチ６１と、モータ・ジェネレータ５と、トランスミッション６２と、駆動輪６３，６３と、バッテリ６４と、触媒浄化装置６６と、触媒ヒータ６７と、車室の空調用ヒータ６８を備えており、いわゆるパラレル式のハイブリッド自動車である。エンジン１は、詳しくは後述するが、火花点火式内燃機関であって、少なくとも部分負荷の運転領域において混合気をリーン化する、いわゆるリーンバーンエンジンである。クラッチ６１は、エンジン１とモータ・ジェネレータ５との連結と切断とを切り替えるものである。モータ・ジェネレータ５は、駆動輪６３，６３を駆動する一方で、減速時に回生動作を行ってバッテリ６４を充電する。トランスミッション６２は、トルクコンバータを有するオートマチックトランスミッションである。トランスミッション６２は、駆動輪６３，６３の車輪駆動軸６３ａに、ギヤを介して動力伝達可能に連結されている。トランスミッション６２は、エンジン１及びモータ・ジェネレータ５の駆動力を駆動輪６３，６３へ伝達する。

エンジン１には、排気マニホールドを介して排気通路６５が接続されている。排気通路６５には、排気ガスを浄化するための排気浄化装置６６が設けられている。排気浄化装置６６は、三元触媒６６ａを含んでいる。排気通路６５における、排気浄化装置６５の上流には、三元触媒６６ａを加熱するための触媒ヒータ６７が設けられている。

バッテリ６４は、モータ・ジェネレータ５に電気的に接続されている。バッテリ６４とモータ・ジェネレータ５との間には、切替スイッチ６９が設けられている。切替スイッチ６９には、さらに、触媒ヒータ６７と空調用ヒータ６８とが電気的に接続されている。切替スイッチ６９は、モータ・ジェネレータ５、バッテリ６４、触媒ヒータ６７及び空調用ヒータ６８の間の接続関係を切り替える。

ハイブリッド自動車１００においては、エンジン１、モータ・ジェネレータ５及びトランスミッション６２がこの順で直列に連結されている。ただし、エンジン１とモータ・ジェネレータ５との間には、クラッチ６１が介設されている。クラッチ６１を連結することによって、エンジン１とモータ・ジェネレータ５とが連結される。この場合には、ハイブリッド自動車１００は、エンジン１の動力だけで走行したり、エンジン１の動力にモータ・ジェネレータ５の動力を付加して走行したりする。さらには、ハイブリッド自動車１００は、エンジン１の動力だけで走行する場合には、エンジン１の動力の一部をモータ・ジェネレータ５の駆動に用い、走行しながらバッテリの充電を行う場合もある。一方、クラッチ６１を開放することにより、エンジン１とモータ・ジェネレータ５との連結が切断される。ハイブリッド自動車１００がモータ・ジェネレータ５の動力のみで走行する場合には、この状態となる。

以下に、ハイブリッド自動車１００のエンジン・システムの詳細について説明する。図２に、エンジン・システムの構成の概略図を示す。エンジン・システムは、エンジン（エンジン本体）１、エンジン１に付随する様々なアクチュエータ、様々なセンサ、及びセンサからの信号に基づきアクチュエータを制御するコントローラ４を有する。エンジン１は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えている。シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ１１（図２では一つのみ図示）が形成されている。シリンダブロック１２及びシリンダヘッド１３の内部には、図示は省略するが冷却水が流れるウォータージャケットが形成されている。

ピストン１５は、各シリンダ１１内に摺動自在に嵌挿されており、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画している。この実施形態では、ピストン１５の冠面に凹部が形成されている。図２には一つのみ示すが、シリンダ１１毎に２つの吸気ポート１８がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（燃焼室１７の上面を区画する天井面）に開口することで燃焼室１７に連通している。同様に、シリンダ１１毎に２つの排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の天井面に開口することで燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８は、シリンダ１１内に導入される新気が流れる吸気通路（図示省略）に接続されている。吸気通路には、吸気流量を調整するスロットル弁２０が介設されており、コントローラ４からの制御信号を受けて、スロットル弁２０の開度が調整される。一方、排気ポート１９は、各シリンダ１１からの既燃ガス（排気ガス）が流れる排気通路６５（図１参照）に接続されている。

図に示すように、吸気弁２１及び排気弁２２はそれぞれ、吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室１７から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は吸気弁駆動機構により、排気弁２２は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁２１及び排気弁２２は所定のタイミングで往復動して、吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉し、シリンダ１１内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフトの回転と同期して回転する。また、両駆動機構のうち少なくとも吸気弁駆動機構は、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は機械式の位相可変機構（ＶＶＴ：Variable Valve Timing）２３を含んで構成されている。ＶＶＴ２３と共に、弁リフト量を連続的に変更可能なリフト可変機構（ＣＶＶＬ：Continuous Variable Valve Lift）を備えるようにしてもよい。

点火プラグ２４は、例えば、ねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド１３に取り付けられている。点火プラグ２４は、この実施形態では、シリンダ１１の中心軸に対し、排気側に傾斜した状態で取り付けられており、その先端部（電極）は燃焼室１７の天井部に臨んでいる。尚、点火プラグ２４の配置はこれに限定されるものではない。点火システム２５は、コントローラ４からの制御信号を受けて、点火プラグ２４が所望の点火タイミングで火花を発生するよう、それに通電する。一例として、点火システム２５はプラズマ発生回路を備え、点火プラグ２４はプラズマ点火式のプラグとしてもよい。

燃料噴射弁２６は、この実施形態ではシリンダ１１の中心軸に沿って配置され、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド１３に取り付けられている。燃料噴射弁２６の先端は、燃焼室１７の天井部の中心に臨んでいる。尚、燃料噴射弁２６の配置はこれに限定されるものではない。燃料噴射弁２６はまた、例えば多噴口型の燃料噴射弁であるが、これに限定されるものではない。

燃料供給システム２７は、燃料噴射弁２６に燃料を供給する燃料供給系と、燃料噴射弁２６を駆動する電気回路と、を備えている。電気回路は、コントローラ４からの制御信号を受けて燃料噴射弁２６を作動させ、所定のタイミングで所望量の燃料を、燃焼室１７内に噴射させる。ここで、このエンジン１の燃料は、この実施形態ではガソリンであるが、これに限定されるものではなく、軽油やバイオエタノール等を含む各種の液化燃料、及び、天然ガス等を含む各種の気体燃料を適宜採用し得る。

コントローラ４は、メイン制御器４Ａと、エンジン１を制御するエンジン制御器４Ｂと、モータ・ジェネレータ５を制御するモータ制御器４Ｃとを含む。コントローラ４は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力（Ｉ／Ｏ）バスと、を備えている。尚、メイン制御器４Ａと、エンジン制御器４Ｂと、モータ制御器４Ｃとは、それぞれ別々のコントローラとして構成されていてもよく、１つのコントローラとして構成されていてもよい。

コントローラ４は、少なくとも、エアフローセンサ４１からの吸気流量に関する信号、クランク角センサ４２からのクランク角パルス信号、アクセル・ペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ４３からのアクセル開度信号、車速センサ４４からの車速信号、排気浄化装置６６の温度（詳しくは、排気浄化装置６６の上流側の排気温度）を検出する触媒温度センサ４５からの触媒温度信号、バッテリ６４の温度を検出するバッテリ温度センサ４６からのバッテリ温度信号、エンジン冷却水の水温を検出する水温センサ４７からの水温信号をそれぞれ受ける。バッテリ温度センサ４６が温度検出手段を構成する。コントローラ４、特に、メイン制御器４Ａは、これらの入力信号に基づいて、車両の要求パワーを計算し、その要求パワーに基づいて、エンジン１及びモータ・ジェネレータ５の制御内容を決定する。例えば、メイン制御器４Ａは、要求パワーに基づいて、エンジン１を作動させるのか、モータ・ジェネレータ５を作動させるのか、モータ・ジェネレータ５を作動させる場合には、発電機として作動させるのか、モータとして作動させるのかを決定する。また、メイン制御器４Ａは、エンジン１又は／及びモータ・ジェネレータ５をそれぞれの目標出力パワーを決定する。エンジン制御器４Ｂ及びモータ制御器４Ｃは、メイン制御器４Ａからの指令に応じて、それぞれエンジン１及びモータ・ジェネレータ５を制御する。エンジン制御器４Ｂは、目標出力パワーに基づいて、例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、点火信号、バルブ位相角信号等のパラメータを計算する。エンジン制御器４Ｂは、それらの信号を、スロットル弁２０（スロットル弁２０を動かすスロットルアクチュエータ）、燃料供給システム２７、点火システム２５及びＶＶＴ２３等に出力する。モータ制御器４Ｃは、メイン制御器４Ａからの指令に応じて、モータ・ジェネレータ５を発電機として機能させるか、又は、モータ・ジェネレータ５をモータとして機能させる。また、モータ制御器４Ｃは、モータ・ジェネレータ５をモータとして機能させる場合には、目標出力パワーに応じて、バッテリ６４からモータ・ジェネレータ５へ供給する電力を制御する。エンジン１とモータ・ジェネレータ５との詳しい制御内容については、後述する。

ここで、本実施形態のエンジン１は、幾何学的圧縮比εが１３以上４０以下の高圧縮比に設定されている。また、エンジン１は、少なくとも部分負荷の運転領域（換言すれば、中負荷乃至低負荷の運転領域）においては、リーン運転を行う運転領域を有する。この運転領域では、空気過剰率λを２以上（好ましくは、２．５以上）８以下に、又は、Ｇ／Ｆ（ＥＧＲガス及び新気量に対する燃料量の比を示す空燃比）を３０以上１２０以下に設定して、混合気をリーン化している。

また、エンジン１は、低負荷乃至中負荷領域の運転領域では、吸気弁閉時期を下死点より所定量遅く設定することによって、エンジン１の有効圧縮比よりも有効膨張比が高くなるようにしている。尚、吸気弁閉時期を下死点より所定量早く設定することによって、エンジン１の有効圧縮比よりも有効膨張比が高くなるようにしている。一方、エンジン１は、高負荷の運転領域においては、そのような吸気弁制御を行っておらず、有効圧縮比と有効膨張比が概ね一致している。つまり、エンジン１は、有効圧縮比に対する有効膨張比の比率が、高負荷の運転領域に比べて、低負荷乃至中負荷の運転領域の方が高くなっている。尚、エンジン１は、低負荷乃至中負荷の運転領域において、有効圧縮比に対する有効膨張比の比率が低負荷になるほど大きくなるように、当該比率を負荷に応じて変化させてもよい。

また、このエンジン１では、その温間時に、全負荷を含む高負荷の運転領域において空気過剰率をλ＝１にする場合は、点火プラグ２４の駆動によって燃焼室１７内の混合気に点火する火花点火モードとし、空気過剰率λを２〜８（又はＧ／Ｆを３０〜１２０）に設定するような、それ以外の運転領域（言い換えると中負荷乃至低負荷の運転領域）では、燃焼室１７内の混合気を圧縮着火させる圧縮着火モードとする。尚、エンジン１の運転領域の全域で圧縮着火モードとしてもよい。また、圧縮着火モードであっても、圧縮自己着火が起こり難い運転領域においては、圧縮上死点前で且つ圧縮上死点近傍で点火（着火アシスト）を行って、圧縮自己着火を促進させてもよい。

それに加えて、エンジン１は、燃焼室１７に断熱構造を設けている。すなわち、エンジン１は、高圧縮比及びリーン化に、燃焼室１７の断熱化を組み合わせている。こうすることによって、エンジン１は、エンジンの図示熱効率を高めて、燃費性能を従来に比べて大幅に向上させている。

詳しくは、このエンジン１では、前述の通り幾何学的圧縮比εを１３≦ε≦４０に設定している。理論サイクルであるオットーサイクルにおける理論熱効率η_ｔｈは、η_ｔｈ＝１−１／（ε^κ−１）であり、圧縮比εを高くすればするほど、理論熱効率η_ｔｈは高くなる。また、ガスの比熱比κを高めれば高めるほど、言い換えると、空気過剰率λを高めれば高めるほど、理論熱効率η_ｔｈは高くなる。

しかしながら、エンジン（正確には、燃焼室の断熱構造を有しないエンジン）の図示熱効率は、所定の幾何学的圧縮比ε（例えば１５程度）でピークになり、幾何学的圧縮比εをそれ以上に高めても図示熱効率は高くならず、逆に、図示熱効率は低下することになる。これは、燃料量及び吸気量を一定のままで幾何学的圧縮比を高くした場合、圧縮比が高くなればなるほど、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることに起因している。つまり、燃焼室１７を区画する面を通じて熱が放出することに伴う冷却損失は、冷却損失＝熱伝達率×伝熱面積×（ガス温度−区画面の温度）によって決定され、燃焼ガスの圧力及び温度が高くなるほど熱伝達率は高くなるから、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることは、その分、冷却損失を増大させることになる。その結果、エンジンは、幾何学的圧縮比が高くなればなるほど、図示熱効率が低下してしまうのである。このように、混合気をリーン化しつつ、幾何学的圧縮比を高めることによってエンジンの図示熱効率を高めようとしても、冷却損失が増大することにより、理論熱効率よりも大幅に低い図示熱効率で頭打ちなってしまう。

これに対し、このエンジン１では、高い幾何学的圧縮比εにおいて図示熱効率が高まるように、燃焼室１７の断熱構造を組み合わせている。つまり、燃焼室１７の断熱化により冷却損失を低減させ、それによって図示熱効率を高める。

一方で、燃焼室１７を断熱化して冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このエンジン１では、前述したように、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に効率よく変換している。すなわち、このエンジン１は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させているということができる。

ここで、空気過剰率λについて検討する。空気過剰率λが２よりも低くなると燃焼室１７内の最高燃焼温度が高くなって、燃焼室１７からＲａｗＮＯｘが排出され得る。前述したように、このエンジン１は、冷却損失と共に排気損失の低減をも図っているため、排気温度が比較的低く触媒の活性化には不利である。そのため、燃焼室１７からのＲａｗＮＯｘの排出を回避乃至抑制することが望ましく、そのためには、空気過剰率λを２以上に設定することが好ましい。言い換えると、燃焼室１７内の最高燃焼温度が所定温度（例えば、ＲａｗＮＯｘが生成し得る温度としての１８００Ｋ（ケルビン））以下となる範囲で、空気過剰率λを設定することが望ましい。エンジン制御器４Ｂは、例えばエンジン１の部分負荷における運転領域内で、負荷の上昇に伴い（言い換えると、燃料噴射量の増量により空気過剰率λが上がることに伴い）、最高燃焼温度が所定温度を超えるようなときには、空気過剰率λを下げてエンジン１を運転することが望ましい。

一方、本願発明者らの検討によると、空気過剰率λ＝８で図示熱効率がピークになることから、空気過剰率λの範囲としては、２≦λ≦８が好ましい。尚、エンジン１の全負荷を含む高負荷の運転領域においては、トルク優先により、空気過剰率λをさらに下げて例えばλ＝１又はλ≧１としてもよい。前記の空気過剰率λの数値範囲は、エンジン１の、中負荷及び低負荷の運転領域における好ましい範囲である。

尚、混合気のリーン化は、スロットル弁２０を開き側に設定することになるから、ガス交換損失（ポンピングロス）の低減による図示熱効率の向上にも寄与し得る。

以下に、燃焼室１７の断熱構造について詳しく説明する。燃焼室１７は、図２にも示すように、シリンダ１１の壁面と、ピストン１５の冠面と、シリンダヘッド１３の下面（天井面）と、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されている。これらの各面に後述する構成を有する断熱層３１，３２，３３，３４，３５が設けられることによって、燃焼室１７が断熱化されている。尚、以下において、これらの断熱層３１〜３５を総称する場合は、断熱層に符号「３」を付す場合がある。断熱層３は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、図例では、シリンダ壁面の断熱層３１は、ピストン１５が上死点に位置した状態で、そのピストンリング１４よりも上側の位置に設けられており、これにより断熱層３１上をピストンリング１４が摺動しない構成としている。但し、シリンダ壁面の断熱層３１はこの構成に限らず、断熱層３１を下向きに延長することによって、ピストン１５のストロークの全域、又は、その一部に断熱層３１を設けてもよい。また、燃焼室１７を直接区画する壁面ではないが、吸気ポート１８や排気ポート１９における、燃焼室１７の天井面側の開口近傍のポート壁面に断熱層を設けてもよい。尚、図２に図示する各断熱層３１〜３５の厚みは実際の厚みを示すものではなく単なる例示であると共に、各面における断熱層の厚みの大小関係を示すものでもない。

断熱層３１〜３５は、燃焼室１７内の燃焼ガスの熱が、区画面を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室１７を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。ここで、シリンダ１１の壁面に設けた断熱層３１については、シリンダブロック１２が母材であり、ピストン１５の冠面に設けた断熱層３２についてはピストン１５が母材であり、シリンダヘッド１３の天井面に設けた断熱層３３については、シリンダヘッド１３が母材であり、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッド面に設けた断熱層３４，３５については、吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ母材である。従って、母材の材質は、シリンダブロック１２、シリンダヘッド１３及びピストン１５については、アルミニウム合金や鋳鉄となり、吸気弁２１及び排気弁２２については、耐熱鋼や鋳鉄等となる。但し、前述したように、このエンジン１は排気損失を低減していることから、排気ガス温度が大幅に低下しているため、特に排気弁２２については耐熱鋼でなくても、従来は使用することができなかった、又は、使用することが困難であった材料（例えばアルミニウム合金等）を使用することも可能である。

また、断熱層３は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、燃焼室１７内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動するが、燃焼室の断熱構造を有しない従来のエンジンは、シリンダヘッドやシリンダブロック内に形成したウォータージャケット内を冷却水が流れることにより、燃焼室１７を区画する面の温度は、燃焼サイクルの進行にかかわらず、概略一定に維持される。一方で、冷却損失は、冷却損失＝熱伝達率×伝熱面積×（ガス温度−区画面の温度）によって決定されることから、ガス温度と壁面の温度との差温が大きくなればなるほど冷却損失は大きくなってしまう。冷却損失を抑制するためには、ガス温度と区画面の温度との差温は小さくすることが望ましいが、前述したように、燃焼室１７の区画面の温度を概略一定に維持した場合、ガス温度の変動に伴い差温が大きくなることは避けられない。そこで、前記の断熱層３は熱容量を小さくし、燃焼室１７の区画面の温度が、燃焼室１７内のガス温度の変動に追従して変化することが好ましい。

また、断熱層３の熱容量を小さくすることは、排気損失の低減にも有利になる。つまり、仮に断熱層の熱容量が大きいときは、燃焼室１７内の温度が低下したときでも、区画面の温度が下がらない一方で、燃焼室１７が断熱構造を有しているため、燃焼室１７内の温度を高温のままに維持してしまう。このことは、結果として排気損失を増大させることになり、エンジン１の熱効率の向上を阻害する。これに対し、断熱層３の熱容量を小さくすることは、燃焼室１７内の温度が低下したときに、それに追従して区画面の温度が低下する。従って、燃焼室１７内の温度を高温に維持してしまうことを回避し得るから、前述した、温度追従性に伴う冷却損失の抑制のほか、排気損失の抑制にも有利になり得る。

断熱層３は、シリンダ１１の壁面、ピストン１５の冠面、シリンダヘッド１３の天井面、並びに、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッド面、つまり、燃焼室１７を区画する区画面に、例えばプラズマ溶射により形成した、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、又は、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）の皮膜によって構成してもよい。ジルコニア又は部分安定化ジルコニアは、熱伝導率が比較的低くかつ、容積比熱も比較的小さいため、母材によりも熱伝導率が低くかつ、容積比熱が母材と同じか、それよりも小さい断熱層３が構成される。

次に、このように構成されたエンジン１の燃費率について説明する。図３（Ａ）に、エンジン１の燃費率特性マップを示す。図３（Ａ）における実線は、等燃費率線であり、燃費率が等しい領域の境界線を示している。破線は、等パワー線であり、パワー（馬力）が等しい領域の境界線を示している。この燃費率特性マップは、エンジン単体の燃費率特性を示している。エンジン単体の燃費率は、例えば、エンジン単体をベンチ試験機を用いて評価することにより求められる。

エンジン１の燃費率は、回転数については、回転数が低すぎても、高すぎても悪く、また、負荷（トルク）については、負荷が低すぎても、高すぎても悪い。詳しくは、エンジン１の最高燃費率の運転領域は、マップの中央付近に位置し、そこから、回転数が低く、若しくは高くなるにつれて、又は、負荷が低く、若しくは高くなるにつれて、燃費率は悪化していく。図３（Ａ）における領域Ａは、最高燃費率に対して９５％燃費率の運転領域（以下、単に「９５％燃費率の運転領域」という）である。エンジン１は、前述の如く、燃費性能が大きく向上しており、燃費率の高い運転領域が広くなっている。詳しくは、９５％燃費率の運転領域Ａは、回転数方向にも、負荷方向にも広くなっている。一例として、本実施形態におけるエンジン１の９５％燃費率の運転領域Ａの最低回転数は、定格回転数の１／３よりも低く、具体的には約１０００ｒｐｍである。一方、９５％燃費率の運転領域Ａの最高回転数は約３０００ｒｐｍである。また、エンジン１の９５％燃費率の運転領域Ａの最低負荷は、全開負荷の半分の負荷よりも低いところまで広がっている。

次に、モータ・ジェネレータ５の効率について説明する。図３（Ｂ）に、モータ・ジェネレータ５の発電効率マップを示す。図３（Ｂ）における実線は、等効率線であり、発電効率が等しい領域の境界線を示している。

本実施形態に係るモータ・ジェネレータ５の発電効率の最高効率は、９５％である。この最高発電効率点Ｐは、比較的、低負荷側に位置する。モータ・ジェネレータ５の発電効率は、最高発電効率点Ｐをピークに、回転数が低く、若しくは高くなるにつれて、又は、負荷が低く、若しくは高くなるにつれて悪化していく。より詳細には、モータ・ジェネレータ５の発電効率は、回転数が低くなると、回転数が高くなる場合に比べて、効率が急激に低下していく。

ここで、このモータ・ジェネレータ５の最高発電効率点Ｐの回転数（即ち、発電効率が最高となる回転数）は、エンジン１の９５％燃費率の運転領域Ａのうち低回転側部分（即ち、該運転領域Ａを回転数に関して２つに分けたときの低回転側の部分）ａの回転数範囲Ｘａの内に含まれている。前述の例では、エンジン１の９５％燃費率の運転領域Ａのうち低回転側部分ａの回転数範囲Ｘａとは、１０００〜２５００ｒｐｍであり、モータ・ジェネレータ５の、最高発電効率点Ｐの回転数は、この範囲内に含まれる。より好ましくは、モータ・ジェネレータ５の最高発電効率点Ｐの回転数は、エンジン１の９５％燃費率の運転領域Ａのうち低負荷側の２０％の領域ｂの回転数範囲Ｘｂ（前述の例では、１０００〜１６００ｒｐｍ）内に入っている。または、モータ・ジェネレータ５の最高発電効率点Ｐの回転数は、エンジン１の定格回転数の１／３よりも低くなっている。

コントローラ４は、このように構成されたエンジン１及びモータ・ジェネレータ５を以下のようにして制御する。

詳しくは、コントローラ４は、極めて低負荷の運転領域では、モータ・ジェネレータ５による動力のみで駆動輪６３，６３を駆動し（この運転領域を、「モータ運転領域」ともいう）、この運転領域よりも高負荷側の運転領域では、少なくともエンジン１による動力で駆動輪６３，６３を駆動する（この運転領域を、「エンジン運転領域」ともいう）。

モータ運転領域は、エンジン１の燃費率が悪い運転領域である。モータ運転領域は、例えば、９５％燃費率の運転領域Ａよりも低負荷の運転領域である。この運転領域では、クラッチ６１が開放され、エンジン１とモータ・ジェネレータ５との連結が遮断される。そして、モータ・ジェネレータ５は、バッテリ６４からの電力により作動し、駆動輪６３，６３を駆動する。こうして、モータ運転領域においては、ハイブリッド自動車１００は、モータ・ジェネレータ５による動力のみで走行する。

エンジン運転領域は、モータ運転領域よりも高負荷側の運転領域である。この運転領域には、エンジン１による動力の一部で充電を行いながら、残りの動力で走行を行う第１運転領域と、エンジン１による動力を全て走行に用いる第２運転領域とが含まれる。

詳しくは、第１運転領域は、車両要求トルクがエンジン１を良好な燃費率で運転できるトルクよりも低い運転領域である。第１運転領域では、車両要求トルクに余剰トルクを加えて、エンジン１を良好な燃費率で運転できる負荷まで増大させて、エンジン１が運転される。そうして出力された出力トルクのうち、余剰トルクがモータ・ジェネレータ５の駆動に用いられ、残りのトルクである車両要求トルクが駆動輪６３，６３の駆動に用いられる。つまり、第１運転領域では、ハイブリッド自動車１００は、エンジン１による出力トルクの一部で充電を行いながら、残りのトルクで走行する。

例えば、第１運転領域は、９５％燃費率の運転領域Ａよりも低負荷側であって、モータ運転領域よりも高負荷側の運転領域である。すなわち、９５％燃費率の運転領域Ａの低負荷側には、モータ運転領域が低負荷側に、エンジン運転領域の第１運転領域が高負荷側に存在する。第１運転領域では、車両要求トルクは、９５％燃費率の運転領域Ａのトルクに満たないので、車両要求トルクに余剰トルクを加えて、出力トルクが９５％燃費率の運転領域Ａのトルクに達する状態でエンジン１が運転される。つまり、車両要求トルクは第１運転領域に相当するが、実際には、エンジン１は９５％燃費率の運転領域Ａにおける運転状態で運転される。

第２運転領域は、第１運転領域よりも高負荷側の運転領域である。第２運転領域には、エンジン１を良好な燃費率で運転できる運転領域とそれよりも高負荷側の運転領域とが含まれる。第２運転領域では、車両要求トルクに相当する負荷でエンジン１が運転される。そして、エンジン１の出力トルクは全て駆動輪６３，６３の駆動に用いられる。このとき、通常は、モータ・ジェネレータ５は、動力の出力も充電も行っていない。つまり、ハイブリッド自動車１００は、エンジン１の動力のみで走行する。ただし、エンジン１の出力トルクだけでは不十分な場合には、モータ・ジェネレータ５がバッテリ６４からの電力で駆動され、エンジン１の動力とモータ・ジェネレータ５の動力とで駆動輪６３，６３を駆動する。また、エンジン１の出力トルクだけで十分な場合であっても、バッテリ６４の充電量が不足している場合には、エンジン１は、車両要求トルクに余剰トルクを加えたトルクを出力する状態で運転される。そして、余剰トルクが発電、即ち、モータ・ジェネレータ５の駆動に用いられ、残りのトルクである車両要求トルクで駆動輪６３，６３が駆動される。モータ・ジェネレータ５により発電された電力は、通常、バッテリ６４の充電に用いられる。

このように、本実施形態に係るハイブリッド自動車１００は、エンジン１とモータ・ジェネレータ５とが共に作動する運転領域がある。ハイブリッド自動車１００では、エンジン１とトランスミッション６２との間にモータ・ジェネレータ５が直列で連結されているため、エンジン１とモータ・ジェネレータ５とが共に作動する際には、モータ・ジェネレータ５はエンジン１と同じ回転数で回転する。ここで、前述の如く、モータ・ジェネレータ５の最高発電効率点Ｐの回転数は、エンジン１の９５％燃費率の運転領域Ａの回転数範囲内に含まれている。そのため、エンジン１を効率の高い運転領域で運転すると、必然的に、モータ・ジェネレータ５も発電効率の高い回転数で運転することになる。逆に、モータ・ジェネレータ５の発電効率を優先して、エンジン１をモータ・ジェネレータ５の発電効率が高い回転数で運転したとしても、それは必然的に、エンジン１を効率の高い運転領域で運転することになる。

ここで、モータ・ジェネレータ５の最高発電効率点Ｐの回転数は、エンジン１の効率の高い運転領域Ａのうち低回転側部分ａの回転数範囲内に含まれるので、エンジン１の効率及びモータ・ジェネレータ５の発電効率の両方が高い回転数で該エンジン１及びモータ・ジェネレータ５を運転すると、トランスミッション６２の抵抗も低減することができる。つまり、トランスミッション６２は、入力回転が高くなるにつれて、ロスパワーが増大する。図４に、トランスミッションの入力回転に対するロスパワーの関係を示す。図４には、トランスミッションの入力回転に対するロスパワーの関係を、変速段ごとに示している。トランスミッション６２の攪拌抵抗や引きずり抵抗は、回転数が高くなるにつれて増大していくため、トランスミッション６２のロスパワーも回転数が高くなるにつれて増加する。つまり、モータ・ジェネレータ５の最高発電効率点Ｐとエンジン１の効率の高い運転領域Ａとをできる限り低回転側で合わせておくことによって、エンジン１とモータ・ジェネレータ５とを高効率で運転する際に、トランスミッション６２の抵抗も低減することができる。こうして、エンジン１、モータ・ジェネレータ５及びトランスミッション６２を同時に、効率の高い条件で運転することができる。

ただし、三元触媒６６ａを活性化させる必要があるときには、エンジン１は以下のような制御を行う。

コントローラ４は、触媒活性化の要求運転時には、該車両要求トルクに余剰トルクを加えたトルクを出力する運転状態であって且つエンジン１を該所定の燃費率の運転領域で運転する。つまり、コントローラ４は、車両要求トルクに相当する燃費率よりも高いトルクでエンジン１を運転する。そして、コントローラ４は、このとき発生する余剰トルクでモータ・ジェネレータ５を駆動して発電を行う。ここで、「車両要求トルク」とは、車両側からエンジン１に要求されるトルクであって、車両停止時には、停止暖機運転を行うために必要なトルクであり、車両走行時には、走行するために必要なトルク（例えば、アクセル開度に応じた要求トルク）である。

詳しくは、コントローラ４は、触媒温度センサ４５からの触媒温度信号に基づいて、排気浄化装置６６の三元触媒６６ａを活性化させる必要があるか、即ち、触媒活性化要求があるか否かを判定する。例えば、コントローラ４は、触媒温度が所定の閾値以下の場合には、触媒活性化要求があると判定する一方、触媒温度が所定の閾値より高い場合には、触媒が活性化しており、触媒活性化要求が無いと判定する。

そして、コントローラ４は、触媒活性化要求があるときには、車両要求トルクに余剰トルクを加えたトルクを出力する運転状態で且つ所定の燃費率の運転領域内の運転状態でエンジン１を運転する。ここで、所定の燃費率の運転領域とは、本実施形態では、９５％燃費率の運転領域Ａである。ここで、コントローラ４は、図５に示すようなエンジンの燃費率特性マップを有している。例えば、車両要求トルクに相当する運転状態Ｘ１が９５％燃費率の運転領域Ａ内の運転状態であるときには、９５％燃費率の運転領域Ａ外に出ない範囲で、車両要求トルクに余剰トルクを加えた運転状態Ｘ２でエンジン１を運転する。また、車両要求トルクに相当する運転状態Ｙ１が９５％燃費率の運転領域Ａ外の運転状態にあるときには、車両要求トルクに余剰トルクを加えて、９５％燃費率の運転領域Ａ内の運転状態Ｙ２でエンジン１を運転する。何れにしても、エンジン１は、車両要求トルクよりも余剰トルクの分だけ高い出力トルクで且つ、９５％燃費率の運転領域Ａ内の運転状態で運転される。

このとき、エンジン１は、車両要求トルク以上の出力トルクを出力することになり、余剰トルクの分だけ余分に出力される。コントローラ４は、この余剰トルクを用いてモータ・ジェネレータ５を駆動し、モータ・ジェネレータ５に発電させる。そして、コントローラ４は、バッテリ温度センサ４６からのバッテリ温度に応じて、発電した電力の供給先を決定する。詳しくは、コントローラ４は、バッテリ温度が所定の閾値以下の場合には、モータ・ジェネレータ５で発電した電力を触媒ヒータ６７へ供給する。一方、コントローラ４は、バッテリ温度が所定の閾値よりも高い場合には、モータ・ジェネレータ５で発電した電力をバッテリ６４へ供給する。ただし、バッテリ６４へ電力を供給するのは、バッテリ６４に充電容量がある場合に限る。ここで、所定の閾値は、例えば、バッテリ６４の内部抵抗の増大により充電ロスが許容できない程度となるバッテリ温度である。つまり、バッテリ温度が所定の閾値以下の場合には、バッテリ６４の充電能力が低下する。触媒活性化要求があるときは、外気温が低く、バッテリ温度が低い場合が多い。そのような場合には、発電した電力を、バッテリ６４を介することなく、触媒ヒータ６７へ直接供給する。そうすることで、充電ロスを回避し、発電した電力を効率良く活用することができる。

また、触媒活性化要求は、外気温が低いときのエンジン冷機時である場合に生じ易い。そのような場合には、車室内の気温も低いので車室内を暖房したいという要求がある。そのため、コントローラ４は、バッテリ６４の充電能力が低いときであって且つエンジン冷機時には、モータ・ジェネレータ５で発電した電力を空調用ヒータ６８に直接供給する。詳しくは、コントローラ４は、水温センサ４５からの水温信号に基づいて、エンジン１が冷機状態か否かを判定する。例えば、コントローラ４は、水温が所定の閾値以下の場合には、エンジン１が冷機状態であると判定する一方、水温が所定の閾値より高い場合には、エンジン１の暖機完了状態と判定する。ここで、所定の閾値は、例えば、エンジンの暖機運転が完了したと判定できるエンジン水温である。そして、エンジン１が冷機状態の場合は、コントローラ４は、前述と同様に、バッテリ温度センサ４６からのバッテリ温度が所定の閾値以下か否かを判定する。バッテリ温度が所定の閾値以下の場合には、コントローラ４は、モータ・ジェネレータ５で発電した電力を空調用ヒータ６８へ供給する。一方、コントローラ４は、バッテリ温度が所定の閾値よりも高い場合には、モータ・ジェネレータ５で発電した電力をバッテリ６４へ供給する。ただし、バッテリ６４へ電力を供給するのは、バッテリ６４に充電容量がある場合に限る。こうして、バッテリの充電能力が低い場合であって且つエンジン冷機時には、余剰トルクを用いて発電した電力を空調用ヒータ６８へ直接供給する。そうすることで、充電ロスを回避しつつ、発電した電力を効率良く活用することができる。

ここで、発電した電力を、触媒ヒータ６７へ供給する場合と空調用ヒータ６８へ供給する場合が同時に生じ得る。その場合、コントローラ４は、発電した電力を触媒ヒータ６７へ優先的に供給する。こうすることで、早期に三元触媒６６ａを活性化させることができる。ただし、これに限られず、コントローラ４は、空調用ヒータ６８を優先してもよく、あるいは、発電した電力を触媒ヒータ６７と空調用ヒータ６８とで適宜に分配してもよい。

尚、モータ・ジェネレータ５で発電した電力の供給先の切替は、切替スイッチ６９を制御することにより行うことができる。

したがって、本実施形態によれば、触媒活性化要求があるときには、車両要求トルクに余剰トルクを加えたトルクを出力する運転状態でエンジン１が運転されるので、発熱量が増加し、三元触媒６６ａを早期に活性化させることができる。このとき、エンジン１は、所定の燃費率の運転領域内の運転状態で運転されるため、エンジン１の燃費が所定の燃費率以上に維持される。その上、そのとき発生した余剰トルクは、モータ・ジェネレータ５による発電に使用され、電力として活用される。その結果、エミッション性能が向上すると共に、ハイブリッド自動車１００のシステム全体の効率を向上させることができる。

さらに、本実施形態では、触媒ヒータ６７を備えているため、モータ・ジェネレータ５で発電した電力を触媒ヒータ６７の作動に用いることができ、三元触媒６６ａをさらに早期に活性化させることができる。

また、バッテリ６４の充電能力が低いときには、発電した電力をバッテリ６４を介さずに触媒ヒータ６７に直接供給することによって、充電ロスを回避しつつ、発電した電力を効率良く活用することができる。

また、触媒活性化要求があるときには、外気温が低い場合が多く、そのような場合には車室内を暖房したいという要求もある。そこで、バッテリ６４の充電能力が低いときには、充電した電力をバッテリ６４を介さずに空調用ヒータ６８に直接供給することによって、充電ロスを回避しつつ、発電した電力を効率良く活用することができる。

また、モータ・ジェネレータ５の最高発電効率点Ｐの回転数がエンジン１の９５％燃費率の運転領域Ａのうち低回転側部分ａの回転数範囲内に含まれるように、エンジン１及びモータ・ジェネレータ５の仕様を設定することによって、ハイブリッド自動車１００のシステム全体としての効率を向上させることができる。

すなわち、本実施形態に係るハイブリッド自動車１００は、モータ・ジェネレータ５がエンジン１とトランスミッション６２との間に連結されているため、エンジン１の動力の一部でモータ・ジェネレータ５を作動させて発電を行いつつ、残りの動力で駆動輪６３，６３を駆動する場合には、モータ・ジェネレータ５はエンジン１の回転数と同じ回転数で回転する。ここで、モータ・ジェネレータ５の発電効率の高い運転領域の回転数とエンジンの９５％燃費率の運転領域Ａの回転数とが重複していると、エンジン１を９５％燃費率の運転領域Ａで運転させつつ、モータ・ジェネレータ５を発電効率の高い回転数で作動させることができる。

ところが、従来のエンジンの燃費率の高い運転領域は、比較的、高負荷側及び高回転側に位置している。それに対して、本実施形態のエンジン１は、前述のように、エンジン１に断熱層３を設けたり、エンジン１の幾何学的圧縮比を１３以上に設定したり、部分負荷の運転領域においてエンジン１の有効圧縮比よりも有効膨張比の方が高くなるようにしたり、エンジン１に圧縮自己着火を行わせたりすることによって、燃費率の高い運転領域、例えば、９５％燃費率の運転領域Ａを低負荷側及び低回転側へ拡大している。その結果、モータ・ジェネレータ５の発電効率の高い運転領域の回転数をエンジン１の９５％燃費率の運転領域Ａの回転数範囲内に設定する上で、設定の自由度が拡大している。

そこで、モータ・ジェネレータ５の最高発電効率点Ｐの回転数がエンジン１の９５％燃費率の運転領域Ａのうち低負荷側部分ａの回転数範囲Ｘａ内に含まれるように、エンジン１及びモータ・ジェネレータ５の仕様を設定する。こうすることによって、エンジン１とモータ・ジェネレータ５とを高効率で運転する際の回転数を低減することができる。回転数を低減することによって、トランスミッション６２の抵抗を低減することができる。その結果、ハイブリッド自動車１００のシステム全体の効率を向上させることができる。

このような仕様のハイブリッド自動車１００においては、エンジン１が低回転で使用される機会が多くなる。また、触媒活性化の要求はエンジン冷機時に多く、エンジン冷機時には、車両の要求パワーが小さい場合も多い。このことからも、エンジン１は比較的低回転で運転されることが多い。その一方で、エンジン１は、高回転側に比べて低回転側の運転領域では、冷機時の燃焼安定性が悪くなる傾向にあり、エミッション性能が悪化する。また、エンジン１は、高回転側に比べて低回転側の運転領域では、単位時間当たりの発熱量が低いため、触媒が活性化し難い。したがって、エンジン１は、触媒活性化の要求時に車両要求トルクに余剰トルクを加えて出力を増大させることが、非常に効果的となる。つまり、エンジン１、モータ・ジェネレータ５及びトランスミッション６２を高効率で運転してシステム全体の効率を向上させつつ、触媒を早期に活性化させることができる。

さらに、エンジン冷機時には、前述の如く、低回転側及び低負荷側での燃焼安定性が悪化することから、低回転数及び低負荷の運転領域の燃費率が悪化する。換言すると、前記の仕様の場合、エンジン１は、冷機時に燃費率が悪化しやすい運転領域で運転される場合が多い。そのため、エンジン冷機時には、車両要求トルクに相当する運転状態が、図５のＹ１のように、所定の燃費率の運転領域から外れる状況が生じやすい。そのような場合、車両要求トルクに余剰トルクが加えられることにより、エンジン１が所定の燃費率の運転領域内の運転状態で運転される。したがって、前記の仕様のエンジン１においては、システム全体の効率の観点からも、余剰トルクを加えた出力トルクで運転することが非常に効果的である。

また、エンジン１は、幾何学的圧縮比が１３以上であって、少なくとも部分負荷の運転領域において有効圧縮比に対する有効膨張比の比率が高負荷側の運転領域よりも低負荷側の運転領域の方が高くなるように制御される。さらに、エンジン１は、断熱層３が設けられ、少なくとも部分負荷の運転領域における空気過剰率λが２以上８以下であるか又はＧ／Ｆが３０以上１２０以下であって圧縮自己着火による燃焼を行わせている。そのため、エンジン１は、燃費率の高い運転領域、例えば、９５％燃費率の運転領域Ａを低負荷及び低回転側まで拡大することができる。その結果、モータ・ジェネレータ５の最高発電効率点Ｐの回転数をできる限り低く設定することができるので、エンジン１及びモータ・ジェネレータ５の作動時のトランスミッション６２の抵抗もできる限り低減することができる。

尚、エンジン１は、断熱層３が設けられていたり、幾何学的圧縮比が１３以上に設定されていたり、少なくとも部分負荷領域において有効圧縮比よりも有効膨張比の方が高く設定されていたり、少なくとも部分負荷領域において空気過剰率λが２以上８以下であるか又はＧ／Ｆが３０以上１２０以下に設定されていたり、圧縮自己着火による燃焼を行わせたりするが、これらに限られるものではなく、任意のエンジンを採用することができる。

また、前記実施形態では、モータ・ジェネレータ５の最高発電効率点Ｐの回転数がエンジン１の９５％燃費率の運転領域Ａのうち低回転側部分ａの回転数範囲Ｘａ内に含まれるように、エンジン１及びモータ・ジェネレータ５の仕様を設定している。しかし、発電効率ではなく、モータ・ジェネレータ５の最高駆動効率点（駆動効率（モータ・ジェネレータ５がモータ・ジェネレータ５として機能するときの効率）が最高となる点）の回転数がエンジン１の９５％燃費率の運転領域Ａのうち低回転側部分ａの回転数範囲Ｘａ内に、好ましくは、低負荷側の２０％の領域ｂの回転数範囲Ｘｂに含まれるように、エンジン１及びモータ・ジェネレータ５の仕様を設定してもよい。こうすることによって、エンジン１による動力とモータ・ジェネレータ５による動力とで走行を行う場合に、ハイブリッド自動車１００のシステム全体としての効率を向上させることができる。すなわち、エンジン１が運転されると同時にモータ・ジェネレータ５がバッテリ６４からの電力により駆動されるので、モータ・ジェネレータ５の駆動効率の高い運転領域の回転数とエンジンの９５％燃費率の運転領域Ａの回転数とを重複させることによって、エンジン１を高効率で運転しつつ、モータ・ジェネレータ５をモータとして高効率で運転することができる。さらに、その際のトランスミッション６２の抵抗を低減することができる。尚、モータ・ジェネレータ５の最高発電効率の回転数および最高駆動効率の回転数の両方が、エンジン１の９５％燃費率の運転領域Ａのうち低回転側部分ａの回転数範囲内に含まれことが好ましい。そうすることで、モータ・ジェネレータ５が発電機として機能する場合であっても、モータとして機能する場合であっても、ハイブリッド自動車１００のシステム全体としての効率を向上させることができる。

また、前記実施形態では、触媒活性化要求時に車両要求トルクに余剰トルクを加えて、エンジン１を高い燃費率で運転する際の所定の燃費率の運転領域を９５％燃費率の運転領域Ａとしている。しかし、所定の燃費率の運転領域は、９５％燃費率の運転領域Ａに限られるものではない。例えば、所定の燃費率の運転領域は、９０％燃費率の運転領域であってもよいし、９８％燃費率の運転領域であってもよい。また、所定の燃費率の運転領域は、何れの回転数でも一定である必要はなく、回転数に応じて異なっていてもよい。例えば、低回転側では、出力トルクを９５％燃費率の運転領域まで上昇させ、高回転側では、出力トルクを９０％燃費率の運転領域まで上昇させるような構成であってもよい。

また、前記実施形態では、モータ・ジェネレータ５がエンジン１とトランスミッション６２との間に配設されているが、これに限られるものではない。例えば、エンジン１、トランスミッション６２、モータ・ジェネレータ５の順に配設されていてもよい。

また、前記実施形態では、触媒の活性化の要求を、触媒温度センサ４５からの触媒温度で検出しているが、これに限られるものではない。触媒の温度に関連した物理量を検出できる限り、任意の検出手段を採用することができる。例えば、エンジン１の運転状態から触媒温度を推定する構成であってもよい。

また、前記実施形態では、エンジンの冷機状態（暖機状態）をエンジン水温で検出しているが、これに限られるものではない。例えば、エンジン１のオイルの温度を検出することによってエンジン１の冷機状態を検出してもよいし、エンジン１の壁面の温度を検出することによってエンジン１の冷機状態を検出してもよいし、エンジン１の運転状態からエンジン１の冷機状態を推定してもよい。

以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、エンジンとモータ・ジェネレータとを備えたハイブリッド自動車について有用である。

１００ ハイブリッド自動車
１ エンジン
４ コントローラ
４６ バッテリ温度センサ（温度検出手段）
５ モータ・ジェネレータ５
６３ａ 車輪駆動軸
６４ バッテリ
６５ 排気通路
６６ａ 三元触媒（触媒）
６７ 触媒ヒータ
６８ 空調用ヒータ

Claims (4)

1. パラレル式のハイブリッド自動車であって、
   車輪駆動軸にトルクを伝えるエンジンと、
   車輪駆動軸にトルクを伝える及びモータ・ジェネレータと、
   前記エンジンの排気通路に設けられた触媒と、
   前記エンジン及びモータ・ジェネレータを制御する制御器とを備え、
   前記制御器は、前記触媒の活性化が必要なときには、車両要求トルクに余剰トルクを加えたトルクを出力する運転状態で且つ該所定の燃費率の運転領域内に含まれる運転状態で前記エンジンを運転し、該余剰トルクで前記モータ・ジェネレータを駆動して発電を行うことを特徴とするハイブリッド自動車。
2. 請求項１に記載のハイブリッド自動車において、
   前記エンジンは、低負荷の運転領域にあるときにリーン運転を行うように構成されており、
   前記モータ・ジェネレータの発電効率が最高となる回転数は、前記エンジンの燃費率が最高燃費率に対して９５％以上となる運転領域のうち低回転側部分の回転数範囲内に入るように構成されていることを特徴とするハイブリッド自動車。
3. 請求項１又は２に記載のハイブリッド自動車において、
   バッテリと、
   前記バッテリの温度を検出する温度検出手段と、
   前記排気通路において前記触媒の上流側に設けられた触媒ヒータとをさらに備え、
   前記制御器は、
   前記温度検出手段により検出された前記バッテリの温度が所定の閾値以下のときには、前記モータ・ジェネレータにより発電された電力を、前記バッテリを介することなく、前記触媒ヒータに供給する一方、
   前記温度検出手段により検出された前記バッテリの温度が該所定の閾値よりも高く且つ前記バッテリの充電容量があるときには、前記モータ・ジェネレータにより発電された電力で前記バッテリを充電することを特徴とするハイブリッド自動車。
4. 請求項１又は２に記載のハイブリッド自動車において、
   バッテリと、
   前記バッテリの温度を検出する温度検出手段と、
   車室の空調用ヒータとをさらに備え、
   前記制御器は、
   前記エンジンの冷機時であって且つ前記温度検出手段により検出された前記バッテリの温度が所定の閾値以下のときには、前記モータ・ジェネレータにより発電された電力を、前記バッテリを介することなく、前記空調用ヒータに供給する一方、
   前記エンジンの冷機時であって且つ前記温度検出手段により検出された前記バッテリの温度が該所定の閾値よりも高く且つ前記バッテリの充電容量があるときには、前記モータ・ジェネレータにより発電された電力で前記バッテリを充電することを特徴とするハイブリッド自動車。

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