JP2014151757A

JP2014151757A - ハイブリッド車両の制御装置

Info

Publication number: JP2014151757A
Application number: JP2013022552A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Asami; 良和浅見
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-08-25
Anticipated expiration: 2033-02-07
Also published as: JP6036362B2

Abstract

【課題】エンジンの燃料カット解除後にエンジン回転数の変動を抑制しつつ触媒の排気浄化性能の低下を防ぐ。
【解決手段】エンジンの燃料カットの実行後に、排気浄化触媒が酸化雰囲気であると推定された場合（Ｓ１０１）、エンジン回転数が許容回転数以下である条件の成立によりエンジンの燃料カットを解除する時以降、エンジンのアイドリング回転数よりも高いエンジン回転数を維持してエンジンの負荷運転を継続することで触媒還元雰囲気化制御を実行する（Ｓ１０３）。その際には、エンジンの負荷運転により発生する動力を利用してモータジェネレータの発電運転を行い、発電電力を蓄電装置に充電する。
【選択図】図３

Description

本発明は、エンジンの動力を利用して駆動軸の駆動及び回転電機の発電運転が可能であり、エンジンの排気を触媒で浄化するハイブリッド車両の制御装置に関し、特に、エンジンの燃料カット及びその解除を行う場合の制御に関する。

下記特許文献１では、エンジンの燃料カット解除後に、燃料カット中の吸入空気量に応じて空燃比のリッチ化処理を行うことで、触媒の還元雰囲気化を図っている。さらに、燃料カット期間が長引いてエンジン回転数がリカバー回転数以下に低下することで、ドライバーがスロットル操作をしていないにもかかわらず燃料カットが解除された場合は、エンジン回転数がリカバー回転数以下になるようにエンジンを運転しつつ空燃比のリッチ化処理に制限を加えている。

特開平１１−２８０４５７号公報特開２００８−１３８６２８号公報

特許文献１では、エンジン回転数がリカバー回転数以下に低下することで燃料カットが解除された場合は、エンジン回転数がリカバー回転数以下になるようにエンジンを運転しつつ空燃比を変化させているため、空燃比の変化に伴ってエンジン回転数に変動が生じやすくなる。その結果、ドライバビリティが低下しやすくなる。

本発明は、エンジンの燃料カット解除後にエンジン回転数の変動を抑制しつつ触媒の排気浄化性能の低下を防ぐことを目的とする。

本発明に係るハイブリッド車両の制御装置は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係るハイブリッド車両の制御装置は、エンジンの動力を利用して駆動軸の駆動及び回転電機の発電運転が可能であり、エンジンの排気を触媒で浄化するハイブリッド車両の制御装置であって、空燃比センサから得られる値または酸素センサから得られる値によって触媒が酸化状態であるか否かを推定する触媒推定部と、アクセルオフでエンジンの燃料カットを行い、エンジン回転数が許容回転数以下である場合に燃料カットを解除する燃料カット制御部と、を備え、燃料カット制御部は、エンジンの燃料カットの実行後に、触媒推定部で触媒が酸化状態であると推定された場合、エンジン回転数が許容回転数以下である条件の成立により燃料カットを解除する時以降、エンジンのアイドリング回転数よりも高いエンジン回転数を維持してエンジンの負荷運転を継続し、当該エンジンの負荷運転による動力を利用して回転電機の発電運転を行うことを要旨とする。

本発明によれば、エンジンの燃料カットの実行後に、触媒が酸化状態であると推定された場合、エンジン回転数が許容回転数以下である条件の成立により燃料カットを解除する時以降、エンジンのアイドリング回転数よりも高いエンジン回転数を維持してエンジンの負荷運転を継続することで、エンジンの燃料カット解除後にエンジン回転数の変動を抑制しつつ触媒の排気浄化性能の低下を防ぐことができる。その際には、エンジンの負荷運転による動力を利用して回転電機の発電運転を行うことで、エンジンの負荷運転による動力が駆動軸の駆動に用いられるのを防ぐことができる。

本発明の実施形態に係る制御装置を備えるハイブリッド車両の概略構成を示す図である。電子制御装置の構成例を示す機能ブロック図である。電子制御装置により実行される触媒還元雰囲気化制御ルーチンを説明するフローチャートである。エンジンの燃料カット及びその解除の動作の一例を説明するタイムチャートである。エンジンの燃料カット及びその解除の動作の他の例を説明するタイムチャートである。本発明の実施形態に係る制御装置を備えるハイブリッド車両の他の概略構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る制御装置を備えるハイブリッド車両の概略構成を示す図である。エンジン１２は、燃料を燃焼させることで動力を発生する。エンジン１２の燃焼後の排気は排気浄化触媒２４を通り、エンジン１２の排気中に含まれる窒素酸化物（NOｘ）、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等の有害成分が排気浄化触媒２４で浄化される。エンジン１２が発生する動力は、遊星歯車機構（シングルピニオン遊星歯車）３２のキャリアＣに伝達される。ここでの遊星歯車機構３２は、キャリアＣに伝達された動力をサンギアＳ及びリングギアＲに分配する動力分配機構として機能する。キャリアＣからリングギアＲに分配された動力が駆動軸１７へ伝達されることで、エンジン１２の動力を利用して駆動軸１７（車輪１８）を回転駆動することが可能である。一方、キャリアＣからサンギアＳに分配された動力はモータジェネレータ（回転電機）１４に伝達され、モータジェネレータ１４の発電運転による電力に変換される。モータジェネレータ１４の発電電力は、インバータ２２，２３を介してモータジェネレータ（回転電機）１５に供給される。その際には、モータジェネレータ１４の発電電力の一部をインバータ２２を介して二次電池等の蓄電装置２０に回収して蓄電装置２０の充電を行ったり、あるいは、蓄電装置２０に蓄えられた電力をインバータ２３を介してモータジェネレータ１５に供給することも可能である。モータジェネレータ１５に供給された交流電力は、モータジェネレータ１５の力行運転による動力に変換され、モータジェネレータ１５の動力が減速ギア１９を介して駆動軸１７へ伝達されることによっても、駆動軸１７を回転駆動することが可能である。また、駆動軸１７の動力をモータジェネレータ１５の発電運転による電力に変換し、モータジェネレータ１５の発電電力をインバータ２３を介して蓄電装置２０に回収して蓄電装置２０の充電を行うことも可能である。

エンジン１２の運転状態は、エンジン用電子制御装置（エンジンＥＣＵ）４０により制御される。エンジンＥＣＵ４０には、エンジン回転数センサ６１で検出されたエンジン回転数Ｎｅを示す信号、排気浄化触媒２４の上流側に付設された空燃比センサ６２で検出されたエンジン１２の空燃比Ａ／Ｆを示す信号、及び排気浄化触媒２４の下流側に付設された酸素センサ（Ｏ₂センサ）６３で検出された酸素濃度ＤＯを示す信号が入力される。エンジンＥＣＵ４０はハイブリッド用電子制御装置（ハイブリッドＥＣＵ）６０と通信しており、ハイブリッドＥＣＵ６０からの制御信号によりエンジン１２を運転制御するとともにエンジン１２の運転状態に関するデータをハイブリッドＥＣＵ６０へ出力する。モータジェネレータ１４，１５の運転状態は、モータ用電子制御装置（モータＥＣＵ）５０により制御される。モータＥＣＵ５０もハイブリッドＥＣＵ６０と通信しており、ハイブリッドＥＣＵ６０からの制御信号によりモータジェネレータ１４，１５を運転制御するとともにモータジェネレータ１４，１５の運転状態に関するデータをハイブリッドＥＣＵ６０へ出力する。ハイブリッドＥＣＵ６０には、アクセル開度センサ６４で検出されたアクセル開度（アクセルペダルの踏み込み量）ＡＣを示す信号が入力される。

本実施形態では、エンジン１２の動力を利用して駆動軸１７（車輪１８）を回転駆動する場合は、エンジンＥＣＵ４０は、例えば車両（駆動軸１７）の減速時等に、エンジン１２の燃料カットを行う。そのためのエンジンＥＣＵ４０の機能ブロックを図２に示す。燃料カット制御部４２は、駆動軸１７の要求トルクＴｄ及びエンジン１２の回転数Ｎｅのいずれか１つ以上に基づいて、エンジン１２の燃料カット及びその解除を行う。駆動軸１７の要求トルクＴｄについては、例えばアクセル開度センサ６４で検出されハイブリッドＥＣＵ６０から送信されるアクセル開度ＡＣから取得することが可能である。エンジン１２の燃料カットを開始する条件としては、例えば駆動軸１７の要求トルクＴｄが設定トルク以下（アクセル開度ＡＣが設定開度以下）であり、且つエンジン回転数Ｎｅが許容回転数よりも高い条件を挙げることができる。ここでの設定トルク（設定開度）については、例えば０に設定することが可能である。つまり、アクセルオフ（アクセル開度ＡＣが０）をエンジン１２の燃料カットを行う条件とすることが可能である。また、ここでの許容回転数については、例えばエンジン１２のアイドリング回転数に設定することが可能であるが、アイドリング回転数よりも高く設定することも可能であり、さらに、燃料カットの解除（燃料噴射）によりエンジン１２が動力を発生可能な回転数であればアイドリング回転数よりも低く設定することも可能である。一方、エンジン１２の燃料カットを解除する条件としては、例えばエンジン回転数Ｎｅが許容回転数以下に低下した条件を挙げることができる。さらに、エンジン１２の燃料カットを解除する条件として、駆動軸１７の要求トルクＴｄが設定トルクよりも大きい（アクセル開度ＡＣが設定開度よりも大きい）条件も挙げることができる。燃料カット制御部４２からは、エンジン１２の燃料カットの実行中であるか否かを示す信号が触媒推定部４４へ出力される。

触媒推定部４４は、排気浄化触媒２４が酸化状態であるか否かを推定する。ここでは、空燃比センサ６２から得られる空燃比Ａ／Ｆ、またはＯ₂センサ６３から得られる酸素濃度ＤＯによって、排気浄化触媒２４が酸化雰囲気であるか否かを推定することが可能である。例えば、空燃比Ａ／Ｆがある一定値を超えた場合や酸素濃度ＤＯが許容値を超えた場合に触媒雰囲気が酸化状態（酸素過剰状態）であると推定し、空燃比Ａ／Ｆがある一定値以下である場合や酸素濃度ＤＯが許容値以下である場合に触媒雰囲気が酸化状態（酸素過剰状態）でないと推定することが可能である。また、エンジン１２の燃料カットの実行中は、エンジン１２から排気浄化触媒２４に多量の空気が流入するため、燃料カットの継続時間が長いほど、排気浄化触媒２４の雰囲気が酸化状態（酸素過剰状態）になりやすくなる。そこで、触媒推定部４４は、燃料カットの継続時間に基づいて、排気浄化触媒２４が酸化雰囲気であるか否かを推定することも可能である。例えば、燃料カットの継続時間及びエンジン回転数Ｎｅに基づいて、排気浄化触媒２４に流入する積算空気量を算出し、積算空気量が許容量を超えた場合に触媒雰囲気が酸化状態（酸素過剰状態）であると推定し、積算空気量が許容量以下である場合に触媒雰囲気が酸化状態でない（還元状態である）と推定することが可能である。触媒推定部４４からは、触媒雰囲気が酸化状態であるか否かを示す信号が燃料カット制御部４２へ出力される。

エンジン１２の燃料カットの実行によりエンジン１２から排気浄化触媒２４に多量の空気が流入することで、排気浄化触媒２４が酸化雰囲気（酸素過剰状態）になると、排気浄化触媒２４のＮＯｘ浄化性能等の排気浄化性能が低下しやすくなる。排気浄化触媒２４の排気浄化性能が低下した状態で、高負荷運転等、エンジン１２のＮＯｘ排出量が増加するような運転状態になった場合は、排気浄化触媒２４でのＮＯｘ浄化率が低下してＮＯｘ排出量が増加する。特に、アクセルオフ等、駆動軸１７の要求トルクＴｄが設定トルク以下（例えば０）のまま、エンジン回転数Ｎｅが許容回転数以下に低下するまで燃料カットを継続する場合は、燃料カットの継続時間が長引くため、排気浄化触媒２４が酸化雰囲気（酸素過剰状態）になりやすく、排気浄化触媒２４でのＮＯｘ浄化率が低下しやすくなる。

そこで、本実施形態では、エンジン１２の燃料カットの実行後に、排気浄化触媒２４が酸化雰囲気（酸素過剰状態）であると推定された場合、エンジン回転数Ｎｅが許容回転数以下である条件の成立によりエンジン１２の燃料カットを解除する時以降、エンジン１２のアイドリング回転数よりも高いエンジン回転数Ｎｅを維持してエンジン１２の負荷運転を継続することで、排気浄化触媒２４を還元雰囲気化する制御（触媒還元雰囲気化制御とする）を実行する。その際には、エンジン１２の負荷運転により発生する動力を利用してモータジェネレータ１４，１５の発電運転を行うことで、モータジェネレータ１４，１５の発電電力をインバータ２２，２３を介して蓄電装置２０に充電する。以下、その場合にエンジンＥＣＵ４０が実行する処理について、図３のフローチャートを用いて説明する。図３のフローチャートによる処理（触媒還元雰囲気化制御ルーチン）は、エンジン１２の燃料カットを解除する条件が成立した場合に実行される。

まずステップＳ１０１では、排気浄化触媒２４の雰囲気が酸化状態（酸素過剰状態）であるか否かが触媒推定部４４で推定される。空燃比Ａ／Ｆがある一定値以下である場合や、酸素濃度ＤＯが許容値以下である場合や、燃料カット実行開始後に排気浄化触媒２４に流入した積算空気量が許容量以下である場合等、排気浄化触媒２４が酸化雰囲気（酸素過剰状態）でない場合（ステップＳ１０１の判定結果がＮＯの場合）は、本ルーチンを終了し、通常の燃料カット解除後の燃料噴射を行う。一方、空燃比Ａ／Ｆがある一定値を超えた場合や、酸素濃度ＤＯが許容値を超えた場合や、燃料カット実行開始後に排気浄化触媒２４に流入した積算空気量が許容量を超えた場合等、排気浄化触媒２４が酸化雰囲気（酸素過剰状態）である場合（ステップＳ１０１の判定結果がＹＥＳの場合）は、ステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、エンジン回転数Ｎｅが許容回転数以下であるか否かが燃料カット制御部４２で判定される。エンジン回転数Ｎｅが許容回転数よりも高い場合（ステップＳ１０２の判定結果がＮＯの場合）は、本ルーチンを終了し、通常の燃料カット解除後の燃料噴射を行う。一方、エンジン回転数Ｎｅが許容回転数以下である場合（ステップＳ１０２の判定結果がＹＥＳの場合）は、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、エンジン１２のアイドリング回転数よりも高いエンジン回転数Ｎｅを維持してエンジン１２の負荷運転を継続することで、排気浄化触媒２４を還元雰囲気化する触媒還元雰囲気化制御が燃料カット制御部４２で実行される。エンジン１２の負荷運転要求を示す信号はハイブリッドＥＣＵ６０から送信される。エンジン１２の負荷運転の際には、排気浄化触媒２４の還元雰囲気化をより促進させるために、エンジン１２の空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比（ストイキ）よりも小さくなる（リッチになる）ように制御することが好ましい。さらに、エンジン１２の負荷運転時の負荷は、排気エミッションが大きく悪化しない程度に抑えることが好ましい。また、エンジン１２の負荷運転による動力が駆動軸１７の回転駆動に用いられるのを防ぐために、エンジン１２の負荷運転時のトルクをＴｅ、遊星歯車機構３２のサンギアＳとリングギアＲの歯数比（サンギアＳとリングギアＲのトルク分配比）をρ（０＜ρ＜１）、減速ギア１９の減速比（モータジェネレータ１５の回転速度／駆動軸１７の回転速度）をγとすると、以下の（１）、（２）式が成立するように、モータジェネレータ１４の発電運転時の回生トルクＴｍｇ１、モータジェネレータ１５の発電運転時の回生トルクＴｍｇ２を制御することが好ましい。

Ｔｍｇ１＝ρ×Ｔｅ／(ρ＋１) （１）
Ｔｍｇ２＝１／γ×Ｔｅ／(ρ＋１) （２）

本実施形態における燃料カット及びその解除の動作の一例を図４のタイムチャートに示す。時刻ｔ１において、アクセルオフ等、駆動軸１７の要求トルクＴｄが設定トルク以下（例えば０）となり、且つエンジン回転数Ｎｅが許容回転数よりも高い条件が成立すると、エンジン１２の燃料カットが開始される。燃料カットの開始以降（時刻ｔ１以降）は、エンジン回転数Ｎｅが減少する。さらに、エンジン１２から排気浄化触媒２４に空気が流入することで、排気浄化触媒２４での酸素濃度が増加し、燃料カットの継続時間が長引くと、排気浄化触媒２４が酸化雰囲気（酸素過剰状態）に到る。

時刻ｔ２において、アクセルオフ等、駆動軸１７の要求トルクＴｄが設定トルク以下（例えば０）のまま、エンジン回転数Ｎｅが許容回転数以下に低下する条件が成立すると、エンジン１２の燃料カットが解除される。燃料カットの解除以降（時刻ｔ２以降）は、エンジン回転数Ｎｅを増加させ、エンジン１２のアイドリング回転数（許容回転数）よりも高いエンジン回転数Ｎｅを維持してエンジン１２の負荷運転が継続されることで、触媒還元雰囲気化制御が実行される。図４の例では、エンジン回転数Ｎｅを一定回転数に維持し、さらに、触媒還元雰囲気化をより促進させるために、エンジン１２の空燃比Ａ／Ｆを理論空燃比（ストイキ）よりも小さく（リッチに）制御している。エンジン１２から排気浄化触媒２４に排気（還元ガス）が流入することで、排気浄化触媒２４での酸素濃度が減少し、排気浄化触媒２４が還元雰囲気に到る。また、エンジン１２の負荷運転による動力は、モータジェネレータ１４，１５の発電運転に用いられ、蓄電装置２０の充電に用いられる。

時刻ｔ３において、アクセルオン等、駆動軸１７の要求トルクＴｄが設定トルク（例えば０）よりも大きい条件が成立すると、触媒還元雰囲気化制御の実行を終了する。排気浄化触媒２４の雰囲気は還元状態であり、ＮＯｘ浄化性能等の排気浄化性能は低下していないため、時刻ｔ３以降に、高負荷運転等、エンジン１２のＮＯｘ排出量が増加するような運転状態になっても、排気浄化触媒２４でＮＯｘを浄化してＮＯｘ排出を抑制することができる。

なお、図５のタイムチャートに示すように、時刻ｔ３において、触媒還元雰囲気化が十分でない場合は、時刻ｔ３以降（触媒還元雰囲気化制御の終了後）に、エンジン１２の空燃比Ａ／Ｆがさらに小さく（リッチに）なるように燃料増量を行うことで、触媒還元雰囲気化をより促進させることも可能である。その際には、ＨＣの排出量が許容できる範囲で空燃比Ａ／Ｆを小さく（リッチに）することが好ましい。

以上説明した本実施形態によれば、エンジン１２の燃料カットの実行後に、エンジン回転数Ｎｅが許容回転数以下である条件が成立し、燃料カットを解除するときに、排気浄化触媒２４が酸化雰囲気（酸素過剰状態）であると推定された場合は、エンジン１２のアイドリング回転数よりも高いエンジン回転数Ｎｅを維持してエンジン１２の負荷運転を継続する。これによって、エンジン１２の燃料カットの解除後に、エンジン１２をアイドリング回転数でアイドル運転する場合と比較して、エンジン回転数Ｎｅの変動を抑制することができるとともに、エンジン１２から排気浄化触媒２４に流入する還元ガス量を増加させることができ、排気浄化触媒２４を速やかに還元雰囲気化することができる。したがって、燃料カットの継続時間が長引いても、燃料カット解除後に、エンジン回転数Ｎｅの変動を抑制しつつ、排気浄化触媒２４を速やかに還元雰囲気化してＮＯｘ浄化性能等、排気浄化性能の低下を防ぐことができる。その結果、ドライバビリティの低下を防ぎつつ、ＮＯｘ排出等、排気エミッションを抑制することができる。さらに、エンジン１２の負荷運転により発生する動力を利用してモータジェネレータ１４，１５の発電運転を行うことで、アクセルオフ状態等、駆動軸１７の要求トルクＴｄが設定トルク以下（例えば０）であるにもかかわらず、エンジン１２の負荷運転による動力が駆動軸１７の回転駆動に用いられるのを防ぐことができるとともに、蓄電装置２０の充電を行うことができる。

以上の実施形態の説明では、図１に示す構成のハイブリッド車両を例に挙げて説明したが、本発明の適用が可能なハイブリッド車両は、図１に示す構成に限られるものではなく、エンジンの動力を利用して駆動軸の駆動及び回転電機の発電運転が可能であり、エンジンの排気を触媒で浄化するハイブリッド車両であれば本発明の適用が可能である。ハイブリッド車両の他の構成例を図６に示す。図６に示す構成例では、エンジン１２が発生する動力は、変速機１６で変速されて駆動軸１７へ伝達可能であり、エンジン１２の動力を利用して駆動軸１７（車輪１８）を回転駆動することが可能である。さらに、エンジン１２が発生する動力は、モータジェネレータ（回転電機）１４へも伝達可能であり、エンジン１２の動力を利用してモータジェネレータ１４の発電運転を行うことも可能である。モータジェネレータ１４の発電運転により発生する電力は、インバータ２２を介して二次電池等の蓄電装置２０に回収されることで、蓄電装置２０の充電を行うことが可能である。モータジェネレータ１４は、蓄電装置２０からインバータ２２を介して供給される電力を利用して力行運転を行うことも可能であり、モータジェネレータ１４の力行運転により発生する動力を変速機１６で変速して駆動軸１７へ伝達することによっても、駆動軸１７を回転駆動することが可能である。図６に示す構成例において、触媒還元雰囲気化制御を実行する際には、モータジェネレータ１４の発電運転時の回生トルクがエンジン１２の負荷運転時のトルクに等しくなるように制御することが好ましい。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態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。

１２エンジン、１４，１５モータジェネレータ、１６変速機、１７駆動軸、１８車輪、２０蓄電装置、２２，２３インバータ、２４排気浄化触媒、３２遊星歯車機構、４０エンジン用電子制御装置、４２燃料カット制御部、４４触媒推定部、５０モータ用電子制御装置、６０ハイブリッド用電子制御装置、６１エンジン回転数センサ、６２空燃比センサ、６３酸素センサ、６４アクセル開度センサ。

Claims

エンジンの動力を利用して駆動軸の駆動及び回転電機の発電運転が可能であり、エンジンの排気を触媒で浄化するハイブリッド車両の制御装置であって、
空燃比センサから得られる値または酸素センサから得られる値によって触媒が酸化状態であるか否かを推定する触媒推定部と、
アクセルオフでエンジンの燃料カットを行い、エンジン回転数が許容回転数以下である場合に燃料カットを解除する燃料カット制御部と、
を備え、
燃料カット制御部は、エンジンの燃料カットの実行後に、触媒推定部で触媒が酸化状態であると推定された場合、エンジン回転数が許容回転数以下である条件の成立により燃料カットを解除する時以降、エンジンのアイドリング回転数よりも高いエンジン回転数を維持してエンジンの負荷運転を継続し、
当該エンジンの負荷運転による動力を利用して回転電機の発電運転を行う、ハイブリッド車両の制御装置。