JP2014088783A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クランクシャフトを回転駆動できる電動機が付随する内燃機関を搭載した車両において、電動機のみを稼働させている状態から内燃機関を稼働させる状態へと遷移するときの、内燃機関の始動時出力の過大化を抑制する。
【解決手段】電動機のみで内燃機関のクランクシャフトを回転させて走行する間に低下するクランク室内のブローバイガスの濃度を推定し、その濃度が薄いほど、内燃機関を始動するときのスロットル開度を小さく補正するようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、クランクシャフトを回転駆動できる電動機が付随する内燃機関を搭載した車両を制御する制御装置に関する。

電動機により内燃機関のクランクシャフトを回転駆動するモータアシスト機能を有した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）。内燃機関の熱効率が低下する低負荷の運転領域では、内燃機関の気筒への燃料供給を停止し、電動機のみでクランクシャフトを回転させて走行を行う。その際、内燃機関のポンピングロスを軽減するべく、内燃機関のスロットルバルブを全開または全開に近い開度に開くことが通例となっている。

特開平０９−２８４９１６号公報

電動機のみで走行している間も、内燃機関のピストンや吸排気バルブは運動を続け、吸気通路から気筒を経由して排気通路へと至る新気の流通が継続する。このため、内燃機関のクランク室に滞留するブローバイガスの濃度が徐々に低下してゆく。

クランク室内のブローバイガスは、ＰＣＶ通路経由で吸気通路（特に、サージタンク）に向けて送り出され、吸気とともに気筒に充填されて燃焼室内で再燃焼される。内燃機関を始動する際には、吸気にブローバイガスが混入していることを前提として燃料噴射量や点火タイミングを制御するが、電動機のみによる走行の期間が長いと、吸気に含まれるブローバイガスの成分が減少することから、始動時の内燃機関の出力が想定よりも高くなる。

本発明は、上述の点に初めて着目してなされたものであり、電動機のみを稼働させている状態から内燃機関を稼働させる状態へと遷移するときの、内燃機関の出力の過大化を抑制することを主たる目的としている。

本発明では、クランクシャフトを回転駆動できる電動機が付随する内燃機関を搭載した車両を制御するものであって、電動機のみで内燃機関のクランクシャフトを回転させて走行する間に低下するクランク室内のブローバイガスの濃度が薄いほど、内燃機関を始動するときのスロットル開度を小さくする制御装置を構成した。

また、電動機のみで走行している状況下で、例えば運転者によりアクセルペダルが急に強く踏み込まれた場合や、電動機に供給されるバッテリ電力が欠乏した場合、あるいは電動機に故障が発生した場合には、急遽内燃機関を始動する必要が生じる。しかし、電動機のみによる走行の最中に内燃機関のスロットルバルブを全開または全開に近い開度に開いていると、機関を始動する前にこのスロットルバルブの開度を適正な開度まで縮小する操作を行わなければならず、その分だけ機関の始動が遅れてしまう。

そこで、電動機のみで内燃機関のクランクシャフトを回転させて走行する間、電動機の出力と同程度の出力を内燃機関において発生させるために必要となる吸気量を実現するスロットル開度となるように、内燃機関のスロットルバルブを操作し続けることが好ましい。

本発明によれば、電動機のみを稼働させている状態から内燃機関を稼働させる状態へと遷移するときの、内燃機関の出力の過大化を抑制することができる。

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。

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。

内燃機関１００のクランク室７には、ブローバイガスが溜まってゆく。ブローバイガスは、気筒１の燃焼室から漏洩する燃焼ガスや未燃焼ガスである。ブローバイガスを換気するための還流装置６は、ＰＣＶ通路６１と、ＰＣＶバルブ６２及びブローバイ通路６３を要素する。

ＰＣＶ通路６１は、その一端がクランク室７に接続し、他端が吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側（特に、サージタンク３３）に接続しており、クランク室７を吸気通路３に連通せしめる。クランク室７内にあるブローバイガスは、このＰＣＶ通路６１を経由して吸気通路３に排出される。

ＰＣＶバルブ６２は、ＰＣＶ通路６１を流通するブローバイガスの流量を増減させる。ＰＣＶバルブ６２は、弾性付勢されて弁座に押し付けられている弁体がブローバイガスの圧力により（弾性付勢力に抗して）弁座から離反する態様の、機械式（差圧作動形）のバルブである。

ブローバイ通路６３は、その一端が内燃機関のシリンダヘッドカバー内のカム室８に接続し、他端が吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の上流側に接続しており、カム室８を吸気通路３に連通せしめる。ＰＣＶバルブ６２が開いているとき、カム室８及びクランク室７内のブローバイガスが、ＰＣＶバルブ６２及びＰＣＶ通路６１を経由して吸気通路３に送り出される。同時に、吸気通路３からブローバイ通路６３を経由してカム室８及びクランク室７に新気が流れ込み、カム室８及びクランク室７内が換気される。サージタンク３３に還流したブローバイガスは、気筒１に充填されて再燃焼される。

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。

その上で、本実施形態では、モータジェネレータ１１０のみで走行する間も、モータジェネレータ１１０の出力に応じて、内燃機関１００のスロットルバルブ３２の開度の拡大／縮小操作を続けることとしている。

モータジェネレータ１１０のみによる走行中のスロットルバルブ３２の開度は、現在のモータジェネレータ１１０の出力と同程度の出力を内燃機関１００で発生させるために必要となる吸気量を実現する開度とする。モータジェネレータ１１０の出力は、そのときのクランクシャフト１０の回転数及びモータジェネレータ１１０への印加電圧（または、印加電流）等を基に推算する。モータジェネレータ１１０の出力の算定手法自体も、既知のものを採用することが可能である。

内燃機関１００の出力トルクは、そのときのエンジン回転数及び負荷率（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）を基に算出されるので、モータジェネレータ１１０の出力トルクを内燃機関１００の出力トルクと仮定すれば、この出力トルクを実現するために必要となる負荷率ひいては吸気量を、当該出力トルク及び現在のクランクシャフト１０の回転数を基に逆算することができる。因みに、負荷率とは、内燃機関１００が最大トルクを出力している運転状態である全負荷に対する、現在の出力トルクの割合の意である。

そして、上記の出力トルクを内燃機関１００において実現するために必要な吸気量が判明すれば、この吸気量を気筒１に充填するために必要となるスロットル開度を、当該吸気量及び現在のクランクシャフト１０の回転数を基に（さらに必要であれば、吸気温度、大気温度、大気圧等を加味して）逆算することができる。ＥＣＵ０は、モータジェネレータ１１０のみによる走行中、逆算したスロットル開度となるようにスロットルバルブ３２を操作する。

以上に加えて、本実施形態では、モータジェネレータ１１０のみによる走行から、内燃機関１００のみによる走行、または内燃機関１００とモータジェネレータ１１０とを併用した走行に切り換えるにあたり、内燃機関１００を始動する際のスロットル開度を、そのときのクランク室７内のブローバイガスの濃度に応じて補正することとしている。

内燃機関１００の気筒１への燃料供給を停止し、モータジェネレータ１１０のみで車軸を駆動して走行しているときにも、クランクシャフト１０の回転に伴って内燃機関１００のピストンや吸気バルブ、排気バルブは運動を続けており、吸気通路３から気筒１を経由して排気通路４に向かう空気の流動は継続している。つまり、内燃機関１００は吸気の吸入と排出とを続行している。故に、ブローバイガス還流装置６によるクランク室７及びカム室８の換気も続いており、クランク室７内に存在するブローバイガスが空気によって徐々に希釈されてゆく。

内燃機関１００の始動時の燃料噴射量や点火タイミングは、気筒１に充填される吸気にブローバイガスが混入していることを前提として規定されているがモータジェネレータ１１０のみによる走行の期間が長いと、吸気に含まれるブローバイガスの成分が減少することから、始動時の内燃機関１００の出力トルクが想定よりも高くなる。

始動時の内燃機関１００の出力が不必要に高くなることを抑止するべく、本実施形態のＥＣＵ０は、始動時のクランク室７内のブローバイガスの濃度を推定し、そのブローバイガス濃度が薄いほど、始動時のスロットルバルブ３２の開度を小さく補正する。

内燃機関１００の始動時のクランク室７内のブローバイガスの濃度は、例えば、モータジェネレータ１１０のみによる走行中に吸気通路３を流れた空気の総流量を基に推測することが可能である。吸気通路３を流れた空気の総流量は、モータジェネレータ１１０のみにより走行している期間における、気筒１に充填された吸気量の積算（または、時間積分）値として算出される。一個の気筒１に一度に充填される吸気の量は、そのときのサージタンク３３内の吸気圧力とクランクシャフト１０の回転数とから推算できる。ＥＣＵ０は、モータジェネレータ１１０のみにより走行している期間に気筒１に充填された吸気量を合算して、空気の総流量を得る。

そして、その総流量の多寡に応じて、クランク室７内のブローバイガス濃度を推定する。クランク室７内のブローバイガス濃度は、モータジェネレータ１１０のみにより走行している期間に吸気通路３を流れた空気の総流量が多いほど低くなる。ＥＣＵ０のメモリには予め、空気の総流量とクランク室７内のブローバイガス濃度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、内燃機関１００の始動時に算出した空気の総流量をキーとして当該マップを検索し、推定されるブローバイガス濃度を読み出すとともに、そのブローバイガス濃度が低いほど、始動時のスロットルバルブ３２の開度に加味する補正量（スロットル開度を縮小する量）を大きく設定する。

内燃機関１００の始動時のスロットル開度を縮小する補正を加えることにより、始動時に気筒１に充填される吸気の量が減少し、それに応じて始動時に噴射する燃料の量を削減する。これにより、内燃機関１００の始動時の出力トルクを必要十分な大きさに抑制できる。

図３に、モータジェネレータ１１０による走行から内燃機関１００による走行に移行する過程でＥＣＵ０が実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ０は、モータジェネレータ１１０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、反復的にモータジェネレータ１１０の出力を算出し（ステップＳ１）、かつ同程度の出力を内燃機関１００によって発生させるために必要な吸気量を実現するスロットル開度を算出して（ステップＳ２）、スロットルバルブ３２を当該開度に操作する（ステップＳ３）。また、モータジェネレータ１１０による走行中に吸気通路３を流れた空気の総流量から、内燃機関１００のクランク室７内のブローバイガス濃度を推定する（ステップＳ４）。

モータジェネレータ１１０による走行から内燃機関１００による走行に移行する必要が生じた場合（ステップＳ５）、ＥＣＵ０は、現時点でのブローバイガス濃度の推定値に応じたスロットル開度の補正量を決定し（ステップＳ６）、その補正量の分だけ、現時点でのスロットルバルブ３２の開度を縮小する（ステップＳ７）。しかして、気筒１の燃料供給及び点火を再開して内燃機関１００を始動し（ステップＳ８）、内燃機関１００の完爆後にモータジェネレータ１１０への通電を停止、即ちモータジェネレータ１１０の稼働を停止する。

本実施形態では、クランクシャフト１０を回転駆動できる電動機１１０が付随する内燃機関１００を搭載した車両を制御するものであって、電動機１１０のみで内燃機関１００のクランクシャフト１０を回転させて走行する間に低下するクランク室７内のブローバイガスの濃度が薄いほど、内燃機関１００を始動するときのスロットル開度を小さくする制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、電動機１１０のみを稼働させている状態から内燃機関１００を稼働させる状態へと遷移するときの、内燃機関１００の始動時出力の過大化を抑制することができる。

並びに、本実施形態では、クランクシャフト１０を回転駆動できる電動機１１０が付随する内燃機関１００を搭載した車両を制御するものであって、電動機１１０のみで内燃機関１００のクランクシャフト１０を回転させて走行する間、電動機１１０の出力と同程度の出力を内燃機関１００において発生させるために必要となる吸気量を実現するスロットル開度となるように内燃機関１００のスロットルバルブ３２を操作する制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、例えば運転者によりアクセルペダルが急に強く踏み込まれた（要求負荷が急増した）、電動機１１０に供給されるバッテリ電力が欠乏した、電動機１１０が故障した等の理由により、電動機１１０のみによる走行から内燃機関１００のみによる走行に切り換えなくてはならなくなったときに、速やかに内燃機関１００の始動を開始することが可能となる。そして、電動機１１０による走行から内燃機関１００による走行に切り換えた際の出力トルクの変動（段差）が小さくなるので、車両のドライバビリティを高く保つことができる。

また、電動機１１０のみによる走行の最中にも、内燃機関１００のスロットルバルブ３２を全閉せず多少なりとも開けておくことになるので、内燃機関１００のポンピングロスを軽減でき、実効燃費の良化に寄与し得る。

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。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、クランクシャフトを回転駆動できる電動機が付随する内燃機関を搭載した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 (2)

1. クランクシャフトを回転駆動できる電動機が付随する内燃機関を搭載した車両を制御するものであって、
   電動機のみで内燃機関のクランクシャフトを回転させて走行する間に低下するクランク室内のブローバイガスの濃度が薄いほど、内燃機関を始動するときのスロットル開度を小さくする制御装置。
2. 電動機のみで内燃機関のクランクシャフトを回転させて走行する間、電動機の出力と同程度の出力を内燃機関において発生させるために必要となる吸気量を実現するスロットル開度となるように内燃機関のスロットルバルブを操作する請求項１記載の制御装置。

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