JP2014088132A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関のみを稼働させている状態から電動機を稼働させる状態へと遷移するための条件を最適化して、より一層の燃料の有効利用を図る。
【解決手段】内燃機関のみを稼働させて走行しているとき、その内燃機関の出力が電動機の最大出力以下であることを条件として、内燃機関のみによる走行から電動機のみによる走行に切り換える一方、その内燃機関の出力が電動機の最大出力を超えている場合には、内燃機関の出力を減少させることで当該内燃機関による走行の燃費率が現在の燃費率よりも良化することを条件として、内燃機関の出力を減少させるとともに電動機を稼働させて出力のアシストを行うこととした。
【選択図】図３

Description

本発明は、車軸を駆動する駆動源として内燃機関及び電動機が搭載されたハイブリッド車両を制御する制御装置に関する。

内燃機関が車軸を回転駆動する出力を電動機によりアシストし、または電動機が内燃機関を代替して車軸を回転駆動することができるハイブリッド車両が既知である（例えば、下記特許文献を参照）。

従来、電動機の出力は、運転者によるアクセルペダルの踏込量や車両の車速等に応じて決定している。しかし、このような手法では、必ずしも最大の燃費低減効果を得られない。例えば、内燃機関の熱効率が比較的良好な運転領域において電動機を稼働させ、内燃機関の出力を削減するモータアシストを行うと、そのときの燃料消費量は低下するものの、内燃機関の熱効率は却って悪化し、総体として燃費が良化するとは限られない。

特開平０６−０４８２２２号公報

本発明は、内燃機関のみを稼働させている状態から電動機を稼働させる状態へと遷移するための条件を最適化して、より一層の燃料の有効利用を図ることを所期の目的としている。

本発明では、車軸を駆動する駆動源として内燃機関及び電動機が搭載されたハイブリッド車両を制御するものであって、内燃機関のみを稼働させて走行しているとき、その内燃機関の出力が電動機の最大出力以下であることを条件として、内燃機関のみによる走行から電動機のみによる走行に切り換える一方、その内燃機関の出力が電動機の最大出力を超えている場合には、内燃機関の出力を減少させることで当該内燃機関による走行の燃費率が現在の燃費率よりも良化することを条件として、内燃機関の出力を減少させるとともに電動機を稼働させて出力のアシストを行うことを特徴とする制御装置を構成した。

なお、内燃機関のみを稼働させて走行しているとき、その内燃機関の出力が電動機の最大出力以下であったとしても、内燃機関による走行の燃費率または燃料消費率が判定閾値と比較してより良い値である場合には内燃機関のみによる走行を続行することが好ましい。

また、内燃機関の出力を減少させるとともに電動機を稼働させて出力のアシストを行うとき、内燃機関の出力を徐々に減少させつつ電動機の出力を徐々に増大させ、当該内燃機関による走行の燃費率が極値となったときの出力に内燃機関及び電動機を維持するようにしてもよい。

本発明は、内燃機関のみを稼働させている状態から電動機を稼働させる状態へと遷移するための条件を最適化して、より一層の燃料の有効利用を図ることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態における内燃機関及びモータジェネレータの関係を模式的に示す図。 同実施形態の制御装置が実施する処理の手順例を示すフロー図。 同実施形態の制御装置が実施する処理の手順例を示すフロー図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関１００の概要を示す。本実施形態における内燃機関１００は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

図２に示すように、本実施形態における内燃機関１００には、モータジェネレータ１１０が付随している。このモータジェネレータ１１０は、内燃機関１００のクランクシャフト１０ひいては車両の車軸（そして、駆動輪）を回転駆動する電動機（スタータ、セルモータまたはアシストモータ）としての機能と、クランクシャフト１０から駆動力の伝達を受けて発電する発電機としての機能とを両備する。

クランクシャフト１０及び車軸を回転駆動する場合、モータジェネレータ１１０は車載のバッテリ（図示せず）から電力の供給を受ける。翻って、クランクシャフト１０により回転駆動されて発電する場合には、その発電した電力を同バッテリに充電することができる。特に、モータジェネレータ１１０は、車両が減速するときに回生制動を行い、車両の運動エネルギを電気エネルギとして回収する。

本実施形態における内燃機関１００及びモータジェネレータ１１０を搭載した車両は、いわゆるハイブリッド車両である。モータジェネレータ１１０は、巻掛伝動装置を介して内燃機関１００のクランクシャフト１０の一端側と接続している。内燃機関１００と車軸とを繋ぐトランスミッション１２０は、クランクシャフト１０の他端側に設置する。また、モータジェネレータ１１０と同じ側の外側壁に、エアコンディショナの冷媒圧縮用のコンプレッサ１３０を配設している。

モータジェネレータ１１０は、例えばインナーロータ方式のもので、永久磁石を有するロータと、ロータの外周面に対向するコイルを有するステータとを要素としてなる。ロータは、ロータ軸１１１の外周に固着している。ロータ軸１１１及びクランクシャフト１０には、それぞれプーリ（または、スプロケット）１１２、１０１が固着しており、これらプーリ１１２、１０１に巻き掛けたベルト（または、チェーン）１１３によって、クランクシャフト１０とロータ軸１１１との間で相互に（双方向に）回転駆動力を伝達する。

コンプレッサ１３０もまた、巻掛伝動装置を介して内燃機関１００のクランクシャフト１０の一端側と接続している。コンプレッサ１３０の入力軸１３２及びクランクシャフト１０には、それぞれプーリ（または、スプロケット）１３３、１０２が固着しており、これらプーリ１３３、１０２に巻き掛けたベルト（または、チェーン）１３４によって、クランクシャフト１０から入力軸１３２に回転駆動力を伝達する。ベルト１３４は、コンプレッサ１３０以外の補機である潤滑油ポンプ（図示せず）や冷却水ポンプ（図示せず）等にも駆動力を伝達することがある。なお、コンプレッサ１３０と入力軸１３２との間には、断接切換可能なマグネットクラッチ１３１が介在しており、エアコンディショナを稼働しないときには当該クラッチ１３１を切断する。

本実施形態の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフト１０の回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（運転者が要求する出力、いわば要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関１００の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、車載のバッテリの充電状態を示すバッテリ電圧、バッテリ電流及びバッテリ温度を検出するセンサから出力されるバッテリ信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、モータジェネレータ１１０（の制御回路）に対してこれを制御するための制御信号ｌ等を出力する。制御信号ｌは、モータジェネレータ１１０をモータとして作動させるか、オルタネータとして作動させるかを指令するとともに、モータとして作動させる場合にモータジェネレータ１１０に対して印加する電圧（または、電流）の大きさや、オルタネータとして作動させる場合にモータジェネレータ１１０から出力させる電圧（または、電流）の大きさを制御する信号となる。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関１００の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関１００の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、モータジェネレータ１１０の出力または発電量といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

ＥＣＵ０は、車両の運転状況に応じてインジェクタ１１からの燃料噴射（及び、点火プラグ１２による点火）を一時的に停止する燃料カットを実行する。典型的には、運転者によるアクセルペダルの踏込量が所定量よりも少ない、即ち要求される出力（または、負荷）が低いときに、気筒１への燃料供給を停止し、モータジェネレータ１１０のみでクランクシャフト１０ひいては車軸を回転駆動して車両を走行させる。基本的に、モータジェネレータ１１０のみによる走行は、内燃機関１００の熱効率が悪化する運転領域において実施する。

図３に、内燃機関１００のみを稼働させて車両を走行させている状態から、モータジェネレータ１１０を稼働させて車両を走行させる状態へと遷移する過程でＥＣＵ０が実行する処理の手順例を示す。

ＥＣＵ０は、内燃機関１００のみによりクランクシャフト１０及び車軸を駆動して走行している最中、反復的に現在の内燃機関１００の出力を演算し（ステップＳ１）、その出力をモータジェネレータ１１０が生み出すことのできる最大出力と比較する（ステップＳ２）。内燃機関１００が生み出す出力は、そのときのエンジン回転数及び吸気圧（または、気筒１に充填される吸気量若しくは燃料噴射量）を基に推算することができる。尤も、車両（のトランスミッション１２０）にトルク計測器が実装されている場合には、ステップＳ１にて、このトルク計測器を介して内燃機関１００の出力トルクを実測してもよい。

ステップＳ２にて、現在の内燃機関１００の出力がモータジェネレータ１１０の最大出力以下であるならば、現在の内燃機関１００の運転状態での燃費率を演算し（ステップＳ３）、この燃費率を判定閾値と比較する（ステップＳ４）。ここで、燃費率とは、内燃機関が単位運動エネルギを生み出すために必要となる燃料の量（燃料消費率。典型的には、運動エネルギ１ｋＷｈを得るために消費される燃料の重量ｇ）をいう。燃費率は、内燃機関１００の出力と燃料噴射量とを基に推算することができる。

そして、内燃機関１００の燃費率が判定閾値と比較して悪い値である、即ち燃費率が判定閾値よりも大きい場合に、モータジェネレータ１１０を起動し（ステップＳ５）、モータジェネレータ１１０の出力を要求される（運転者によるアクセルペダルの踏込量に応じた）出力まで高める（ステップＳ６）。その分、内燃機関１００の出力を低下させてゆき（ステップＳ７）、最終的に内燃機関１００が出力を生み出さない燃料カット状態とする、つまりは内燃機関１００の稼働を停止する（ステップＳ８）。内燃機関１００の出力は、スロットルバルブ３２の開度及び燃料噴射量を操作することで制御できる。

逆に、内燃機関１００の燃費率が判定閾値と比較して良い値である、即ち燃費率が判定閾値よりも小さい場合には、モータジェネレータ１１０を起動せず、内燃機関１００のみによって車両を走行させる状態を維持する。

ステップＳ４における判定閾値は、少なくとも、現在のエンジン回転数及び負荷（または、吸気圧、気筒１に充填される吸気量若しくは燃料噴射量）に応じて設定する。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数及び負荷と判定閾値との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数及び負荷をキーとして当該マップを検索して判定閾値を読み出し、これを現在の内燃機関１００の燃費率と比較する。

加えて、内燃機関１００の燃費率と比較するべき判定閾値を、現在のバッテリの充電量に応じて上下させてもよい。バッテリに蓄えることのできる電力量には上限があり、既に限界近くまでバッテリが充電されていると回生制動等により電力を発電してバッテリに蓄えることができない。そのような状況では、モータジェネレータ１１０が無負荷運転に近くなり、車両の減速時にモータジェネレータ１１０が内燃機関１００のクランクシャフト１０及び車軸を制動する作用が小さくなる。従って、現在のバッテリの充電量が多いほど、判定閾値を低い値に補正し、モータジェネレータ１１０を稼働させて燃料の代わりにバッテリ電力を消費しやすくする。

ステップＳ２にて、現在の内燃機関１００の出力がモータジェネレータ１１０の最大出力を超えているならば、モータジェネレータ１１０のみによる走行へと移行することはできない。この場合には、内燃機関１００の出力を現在の出力よりも減少させることで、当該内燃機関１００による走行の燃費率（モータジェネレータ１１０が電力を消費して生み出す出力を加味しない）が現在の燃費率よりも良化するか否かを判断する。具体的には、現在の内燃機関１００の運転状態での燃費率を演算し（ステップＳ９）、かつ現在の運転状態よりも内燃機関１００の出力が小さい（吸気量及び燃料噴射量が現在よりも少ない）仮定の運転状態での燃費率を推算して（ステップＳ１０）、これらを比較する（ステップＳ１１）。

そして、現在の内燃機関１００の燃費率よりも、出力を減少させた内燃機関１００の燃費率の方が良い値である、即ち前者の燃費率よりも後者の燃費率の方が小さい場合に、内燃機関１００の出力を減少させ、その分の出力をモータジェネレータ１１０の出力によって補うモータアシストを行う。

モータアシストでは、モータジェネレータ１１０を起動し（ステップＳ１２）、モータジェネレータ１１０の出力をある程度の量増大させる（ステップＳ１３）とともに、内燃機関１００の出力を同程度の量減少させる（ステップＳ１４）。次いで、出力を減少させた内燃機関１００の燃費率を演算し（ステップＳ１５）、出力を減少させる前の内燃機関１００の燃費率と比較して（ステップＳ１６）、前者が後者を下回っている限りにおいて、モータジェネレータ１１０の出力の増大及び内燃機関１００の出力の減少を反復する。

翻って、前者が後者とほぼ等しい、または前者が後者を上回ったならば、内燃機関１００の燃費率が最良の値である極小値に到達したということであるので、それ以上内燃機関１００の出力を減少させず、またそれ以上モータジェネレータ１１０の出力を増大させない。つまり、内燃機関１００及びモータジェネレータ１１０の各出力を維持する。

ステップＳ１１にて、現在の内燃機関１００の燃費率よりも、出力を減少させた内燃機関１００の燃費率の方が悪い値である、即ち前者の燃費率よりも後者の燃費率の方が大きい場合には、モータジェネレータ１１０を起動せず、内燃機関１００のみによって車両を走行させる状態を維持する。

本実施形態では、車軸を駆動する駆動源として内燃機関１００及び電動機１１０が搭載されたハイブリッド車両を制御するものであって、内燃機関１００のみを稼働させて走行しているとき、その内燃機関１００の出力が電動機１１０の最大出力以下であることを条件として、内燃機関１００のみによる走行から電動機１１０のみによる走行に切り換える一方、その内燃機関１００の出力が電動機１１０の最大出力を超えている場合には、内燃機関１００の出力を減少させることで当該内燃機関１００による走行の燃費率が現在の燃費率よりも良化することを条件として、内燃機関１００の出力を減少させるとともに電動機１１０を稼働させて出力のアシストを行うことを特徴とする制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、燃費率の観点から電動機１１０を稼働させるか否かを判断するため、内燃機関１００の熱効率を徒に悪化させずに済み、総合的に燃費が良化する。

また、内燃機関１００のみを稼働させて走行しているときに、その内燃機関１００の出力が電動機１１０の最大出力以下であったとしても、内燃機関１００による走行の燃費率が判定閾値と比較してより良い値である場合には内燃機関１００のみによる走行を続行するものとしているため、内燃機関１００の熱効率のよい運転領域では車載のバッテリに充電された電力の消費を控えることができる。このことは、バッテリの充電量の上限を低く（充電容量を小さく）設定できることにつながり、バッテリの小型化、軽量化及びバッテリに費やされるコストの抑制に寄与する。

既にバッテリに十分な電力が蓄えられている状況では、判定閾値を変更し、電動機１１０による電力の消費（そして、内燃機関１００による燃料の消費の削減）を積極的に促すこともできる。さすれば、車両の減速時において、回生制動により車両の運動エネルギを電気エネルギとして漏れなく回収し再利用することが可能となるだけでなく、車両の減速制御性を高く保つことにもつながる。

加えて、内燃機関１００の出力を減少させるとともに電動機１１０を稼働させて出力のアシストを行うとき、内燃機関１００の出力を徐々に減少させつつ電動機１１０の出力を徐々に増大させ、当該内燃機関１００による走行の燃費率が極値（最良の値）となったときの出力に内燃機関１００及び電動機１１０を維持するようにしているので、車両の燃費性能がさらに向上する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、燃費率として、単位燃料消費量あたりの車両の走行距離（典型的には、燃料１ｌあたりの走行距離ｋｍ）を採用してもよい。この燃費率は、車両の走行距離と燃料噴射量とを基に推算することができる。また、この燃費率は、大きいほど良い値、小さいほど悪い値となる。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車軸を駆動する駆動源として内燃機関及び電動機が搭載されたハイブリッド車両の制御に適用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１００…内燃機関
１０…クランクシャフト
１１０…電動機（モータジェネレータ）

Claims (3)

1. 車軸を駆動する駆動源として内燃機関及び電動機が搭載されたハイブリッド車両を制御するものであって、
   内燃機関のみを稼働させて走行しているとき、
   その内燃機関の出力が電動機の最大出力以下であることを条件として、内燃機関のみによる走行から電動機のみによる走行に切り換える一方、
   その内燃機関の出力が電動機の最大出力を超えている場合には、内燃機関の出力を減少させることで当該内燃機関による走行の燃費率が現在の燃費率よりも良化することを条件として、内燃機関の出力を減少させるとともに電動機を稼働させて出力のアシストを行う
   ことを特徴とする制御装置。
2. 内燃機関のみを稼働させて走行しているとき、その内燃機関の出力が電動機の最大出力以下であったとしても、内燃機関による走行の燃費率が判定閾値と比較してより良い値である場合には内燃機関のみによる走行を続行する請求項１記載の制御装置。
3. 内燃機関の出力を減少させるとともに電動機を稼働させて出力のアシストを行うとき、内燃機関の出力を徐々に減少させつつ電動機の出力を徐々に増大させ、当該内燃機関による走行の燃費率が極値となったときの出力に内燃機関及び電動機を維持する請求項１または２記載の制御装置。

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