JP2017094834A - ハイブリッド車両及びその制御方法 - Google Patents

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Norihito Iwata
憲仁 岩田
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Abstract

【課題】燃料の噴射が停止していると共にモータージェネレーターが回生発電している状態の走行中において、エンジンフリクションを低減することで、バッテリーの充電量を増加して、燃費を向上するハイブリッド車両及びその制御方法を提供する。【解決手段】制御装置８０が、エンジン１０の燃料の噴射が停止していると共に、モータージェネレーター３１が回生発電している状態の走行中に、可変翼ターボチャージャー５７の可変翼６４を開く制御、ＥＧＲバルブ５３を開く制御、並びに、可変動弁機構６５により排気バルブ４８を圧縮行程で開く制御のうちのいずれか一つ、あるいはいずれか二つの組み合わせ、あるいは全部を行う構成にした。【選択図】図４

Description

本発明は、ハイブリッド車両及びその制御方法に関し、より詳細には、燃料の噴射が停止していると共にモータージェネレーターが回生発電している状態の走行中におけるバッテリーの充電量を増加して、燃費を向上するハイブリッド車両及びその制御方法に関する。
近年、燃費向上及び環境対策などの観点から、車両の運転状態に応じて複合的に制御されるエンジン及びモータージェネレーターを有するハイブリッドシステムを備えたハイブリッド車両（以下「ＨＥＶ」という。）が注目されている。このＨＥＶにおいては、車両の加速時や発進時には、モータージェネレーターによる駆動力のアシストが行われる一方で、慣性走行時や減速時にはモータージェネレーターによる回生発電が行われる（例えば、特許文献１を参照）。
この慣性走行時や減速時には、エンジンにおける燃料の噴射を停止して、モータージェネレーターを回生発電している。しかし、このときに、エンジンにプロペラシャフトからの回転動力がクラッチを介して伝達されている場合は、エンジンフリクションによりその回転動力が低減する。その結果、プロペラシャフトから回転力を得て発電しているモータージェネレーターの回生発電による発電量が、このエンジンフリクションの損失分だけ減少し、バッテリーの充電量が低減するという問題があった。
特開２００２−２３８１０５号公報
本発明の目的は、燃料の噴射が停止していると共にモータージェネレーターが回生発電している走行中において、エンジンフリクションを低減することで、バッテリーの充電量を増加して、燃費を向上することができるハイブリッド車両及びその制御方法を提供することである。
上記の目的を達成する本発明のハイブリッド車両は、エンジンの動力を伝達する出力軸に接続されたモータージェネレーターを有するハイブリッドシステムと、制御装置と、を備えたハイブリッド車両において、前記エンジンが、可変翼を開くことによりタービンにおける排気ガスの通過面積を拡大可能な可変翼ターボチャージャーと、開弁することによりＥＧＲ通路におけるＥＧＲガスの流量を増加するＥＧＲバルブと、排気バルブの開閉時期を自在に変動する可変動弁機構とのいずれか一つ、あるいはいずれか二つの組み合わせ、あるいは全部を有してなり、前記制御装置が、前記エンジンの燃料の噴射が停止していると共に、前記モータージェネレーターが回生発電している状態の走行中に、前記可変翼を開く制御、前記ＥＧＲバルブを開く制御、並びに、前記可変動弁機構により前記排気バルブを圧縮行程で開く制御のうちのいずれか一つ、あるいはいずれか二つの組み合わせ、あるいは全部を行うように構成されたことを特徴とするものである。
また、上記の目的を達成する本発明のハイブリッド車両の制御方法は、走行中に、エンジンの燃料の噴射を停止すると共に、モータージェネレーターを回生発電するハイブリッ
ド車両の制御方法において、可変翼ターボチャージャーの可変翼を開くステップと、ＥＧＲバルブを開くステップと、可変動弁機構により排気バルブを圧縮行程で開くステップとのうちのいずれか一つ、あるいはいずれか二つの組み合わせ、あるいは全部を含むことを特徴とする方法である。
なお、排気バルブの開閉時期を自在に変動する可変動弁機構を備える場合には、その可変動弁機構により、排気バルブを圧縮行程に加えて、膨張行程で開く、すなわち、通常の排気行程で開くことも合わせて、排気バルブを吸気行程以外で開くようにすることが好ましい。
また、排気バルブの開閉時期を自在に変動する可変動弁機構に加えて、吸気バルブの開閉時期を自在に変動する可変動弁機構を備える場合には、排気バルブを圧縮行程で開くことに加えて、その可変動弁機構により吸気バルブを膨張行程で開くようにしてもよい。つまり、吸気バルブを通常の吸気行程で開くことも合わせて、吸気バルブを吸気行程及び膨張行程で開くと共に、排気バルブを圧縮行程及び排気行程で開くようにすることが好ましい。
このハイブリット車両およびその制御方法によれば、燃料の噴射が停止していると共に、モータージェネレーターが回生発電している状態の走行中には、エンジンのポンプ損失を低減する制御のいずれか一つ、あるいはいずれか二つの組み合わせ、あるいは全部を行うことにより、燃料の噴射が停止している走行中のエンジンフリクションを低減することができる。
これにより、エンジンの燃料の噴射が停止されると共に、モータージェネレーターが回生発電している状態の走行中の回生発電によって発電された電力を、エンジンフリクションが低減された状態で効率良くバッテリーに充電し、バッテリーの充電量を増加することができる。その結果として、燃料を消費したモータージェネレーターの回生発電の機会を低減できると共に、モータージェネレーターによるアシストやモータージェネレーターのみでの走行の機会を増加できるので、燃費を向上できる。
本発明の実施形態からなるハイブリッド車両の構成図である。 図１のエンジンを例示する構成図である。 図１のエンジンの別形態を例示する構成図である。 本発明のハイブリッド車両の制御方法を例示するフロー図である。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態からなるハイブリッド車両を示す。
このハイブリッド車両（以下「ＨＥＶ」という。）は、普通乗用車のみならず、バスやトラックなどを含む車両であり、車両の運転状態に応じて複合的に制御されるエンジン１０及びモータージェネレーター３１を有するハイブリッドシステム３０を備えている。また、このＨＥＶは、ＥＧＲシステム５０と、可変翼ターボチャージャー５７と、可変動弁機構６５と、を備えている。
エンジン１０においては、エンジン本体１１に形成された複数（この例では４個）の気筒１２内における燃料の燃焼により発生した熱エネルギーにより、クランクシャフト１３が回転駆動される。このエンジン１０には、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンが用
いられる。このクランクシャフト１３の回転動力は、クランクシャフト１３の一端部に接続するクラッチ１４（例えば、湿式多板クラッチなど）を介してトランスミッション２０に伝達される。
トランスミッション２０には、ＨＥＶの運転状態と予め設定されたマップデータとに基づいて決定された目標変速段へ、変速用アクチュエーター２１を用いて自動的に変速するＡＭＴ又はＡＴが用いられている。なお、トランスミッション２０は、ＡＭＴやＡＴのような自動変速式に限るものではなく、ドライバーが手動で変速するマニュアル式であってもよい。
トランスミッション２０で変速された回転動力は、プロペラシャフト２２を通じてデファレンシャル２３に伝達され、一対の駆動輪２４にそれぞれ駆動力として分配される。
ハイブリッドシステム３０は、モータージェネレーター３１と、このモータージェネレーター３１に順に電気的に接続するインバーター３５、高電圧バッテリー３２（例えば、４８Ｖなど）、ＤＣ／ＤＣコンバーター３３及び低電圧バッテリー３４（例えば、１２Ｖなど）とを有している。
高電圧バッテリー３２としては、リチウムイオンバッテリーやニッケル水素バッテリーなどが好ましく例示される。また、低電圧バッテリー３４には鉛バッテリーが用いられる。ＤＣ／ＤＣコンバーター３３は、高電圧バッテリー３２と低電圧バッテリー３４との間における充放電の方向及び出力電圧を制御する機能を有している。また、低電圧バッテリー３４は、各種の車両電装品３６に電力を供給する。
このハイブリッドシステム３０における種々のパラメータ、例えば、電流値、電圧値やＳＯＣなどは、ＢＭＳ３９（バッテリーマネージメントシステム）により検出される。
モータージェネレーター３１は、回転軸３７に取り付けられた第１プーリー１５とエンジン本体１１の出力軸であるクランクシャフト１３の他端部に取り付けられた第２プーリー１６との間に掛け回された無端状のベルト状部材１７を介して、エンジン１０との間で動力を伝達する。なお、第１プーリー１５、第２プーリー１６及びベルト状部材１７の代わりに、ギアボックス等を用いて動力を伝達することもできる。また、モータージェネレーター３１に接続するエンジン本体１１の出力軸は、クランクシャフト１３に限定されるものではなく、例えばエンジン本体１１とトランスミッション２０との間の伝達軸やプロペラシャフト２２であってもよい。
このモータージェネレーター３１は、エンジン本体１１を始動するスターターモーター（図示せず）の代わりに、クランキングを行う機能も有している。
上述したハイブリッドシステム３０は制御装置８０によって制御される。具体的にはハイブリッドシステム３０は、制御装置８０に制御されることで、ＨＥＶの発進時や加速時には、高電圧バッテリー３２から電力を供給されたモータージェネレーター３１により駆動力の少なくとも一部をアシストする一方で、慣性走行時や制動時においては、モータージェネレーター３１による回生発電を行い、余剰の運動エネルギーを電力に変換して高電圧バッテリー３２を充電する。
図２は、エンジン１０の構成を例示している。以下、エンジン１０の構成について図２を参照しながら、より詳しく説明する。
このエンジン１０においては、運転中に吸気バルブ４６から気筒１２に吸入された吸入
空気５６と、インジェクター４７から気筒１２に噴射された燃料とが混合されて燃焼して、排気ガス４５となって排気バルブ４８から排気されている。なお、このときに、吸気バルブ４６は吸気行程で開き、排気バルブ４８は排気行程で開いている。
吸入空気５６は、外部から吸気通路５５へ吸入されて、可変翼ターボチャージャー５７のコンプレッサー５８により圧縮されて高温になり、インタークーラー５９で冷却されている。その後に、この吸入空気５６は、吸気マニホールド６１を経て吸気バルブ４６から気筒１２に吸入されている。
排気ガス４５は、気筒１２から排気バルブ４８を経由して排気マニホールド６２から排気通路４０へ排気されて、可変翼ターボチャージャー５７のタービン６３を駆動させている。この可変翼ターボチャージャー５７は、可変翼６４を開くことによりタービン６３における排気ガス４５の通過面積を拡大可能に構成されている。その後に、この排気ガス４５は、タービン６３の下流から順に配置された図示しない後処理装置により浄化されて大気へと放出されている。また、排気ガス４５の一部は、ＥＧＲシステム５０のＥＧＲ通路５１に設けられたＥＧＲクーラー５２で冷却された後に、ＥＧＲバルブ５３によりＥＧＲガス５４として吸気通路５５に供給されて吸入空気５６に混合されている。
また、このエンジン１０は、電磁式又は油圧式などのアクチュエーターで構成された可変動弁機構６５を備えている。この可変動弁機構６５は、排気バルブ４８を圧縮行程の上死点の通過前に開き、その開いた排気バルブ４８をその上死点の通過後に閉じることで気筒１２の内部の圧力を下げることで、気筒１２におけるポンプ損失を大きくして、エンジンフリクションを増大する圧縮開放ブレーキとして作動させる事も可能である。
制御装置８０は、各種処理を行うＣＰＵ、その各種処理を行うために用いられるプログラムや処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、および各種インターフェースなどから構成される。
この制御装置８０は、信号線を介して燃料噴射インジェクター４４、吸気スロットル６０、可変翼６４、ＥＧＲバルブ５３、及び可変動弁機構６５に接続される。また、この制御装置８０は、信号線を介してアクセルペダル９５の操作量をアクセル開度として検出するアクセル開度センサ９６と、ブレーキペダル９０の操作量をブレーキ開度として検出するブレーキ開度センサ９７とに接続される。
制御装置８０は、複数の実行プログラムが内部記憶装置に記憶されており、この実行プログラムとしては、前述したハイブリッドシステム３０の制御プログラムに加えて、可変翼６４の開度制御プログラム、ＥＧＲバルブ５３の還流量制御プログラム、可変動弁機構６５の可変動弁制御プログラムを例示できる。
このようなＨＥＶにおいて、制御装置８０が、エンジン１０の燃料の噴射が停止していると共に、モータージェネレーター３１が回生発電している状態の走行中に、可変翼６４を開く制御、ＥＧＲバルブ５３を開く制御、並びに、可変動弁機構６５により排気バルブ４８を圧縮行程で開く制御を行うように構成される。
なお、この実施形態では、排気バルブ４８の開閉時期を自在に変動する可変動弁機構６５により排気バルブ４８を圧縮行程で開くことに加えて、更に、排気バルブ４８を膨張行程で開く、つまり、排気バルブ４８を吸気行程以外で開く例を説明する。
また、可変動弁機構６５に加えて、図３に示すように、吸気バルブ４６の開閉時期を自在に変動する可変動弁機構６６を備えてもよい。この場合には、可変動弁機構６６により
吸気バルブ４６を膨張行程で開くと共に、可変動弁機構６５により排気バルブ４８を圧縮行程で開く制御を行うように構成される。つまり、吸気バルブ４６を吸気行程及び膨張行程で開くと共に、排気バルブ４８を圧縮行程及び排気行程で開くようにしてもよい。
以下、このＨＥＶの制御方法を、図４のフロー図を参照しながら制御装置８０の機能として以下に説明する。なお、この制御方法は、ＨＥＶが走行中に行われるものする。
まず、ステップＳ１０では、制御装置８０が、条件が成立したか否かを判定する。この条件とは、ハイブリッド車両がエンジン１０の燃料の噴射が停止していると共に、モータージェネレーター３１が回生発電している状態で走行していることである。
このステップＳ１０の条件が成立する状況としては、降坂路におけるコースト走行時や減速時を例示できる。この降坂路としては、勾配が急であり、ＨＥＶが車重により重力加速する走行路を例示できる。このような降坂路としては、例えば、ＨＥＶの車重が２５ｔの場合には、勾配が２％以上で、走行距離が５００ｍ以上になる降坂路を例示できる。
この条件についてより具体的に説明すると、この条件が成立する場合は、以下に説明する二つの状況が生じた場合である。
第一の状況は、前述したような降坂路を走行中に、運転者によるアクセルペダル９５の踏み込みが解除され、アクセル開度センサ９６の検出値であるアクセル開度がゼロになった状況である。このように、アクセル開度がゼロになると、制御装置８０は、燃料噴射インジェクター４４からの燃料の噴射を停止する制御を行う。また、制御装置８０は、走行中に燃料の噴射が停止しても、エンジン１０のクランクシャフト１３に連結された図示しない補機の駆動が停止しないように、クラッチ１４によりエンジン１０のクランクシャフト１３がトランスミッション２０に接続された状態を維持する制御を行う。なお、ここでいう補機としては、油圧ポンプなどを例示できる。さらに、制御装置８０は、その一方で、モータージェネレーター３１を回生発電する制御を行う。このモータージェネレーター３１の回生発電においては、降坂路の勾配、車重、走行距離などのパラメータに応じて、その回生量を調節する。
第二の状況は、前述したような降坂路を走行中に、運転者によるアクセルペダル９５の踏み込みが解除され、アクセル開度センサ９６の検出値であるアクセル開度がゼロになった状況から、さらに、運転者によってブレーキペダル９０が踏み込まれ、ブレーキ開度センサ９７の検出値であるブレーキ開度がゼロ超になった状況である。このように、ブレーキ開度がゼロ超になると、制御装置８０は、第一の状況の制御、つまりモータージェネレーター３１を回生発電する制御に加えて、その開度に応じて、図示しない補助ブレーキ（エキゾーストブレーキなど）と共にフットブレーキなどによりＨＥＶの車速を減速する制御を行う。
このステップＳ１０で、上記のような第一又は第二の状況の条件が成立したと判定すると次のステップへ進む。一方、このステップＳ１０で、上記のような条件が成立しないと判定すると、この制御方法は完了する。
次いで、制御装置８０が、ステップＳ２０〜ステップＳ４０の三つの制御を並列処理する。このステップＳ２０〜ステップＳ４０は、順番に処理してもよいが、並列処理することで、エンジンフリクションを低減するまでの時間を短縮できる。
ステップＳ２０では、制御装置８０が、可変翼６４を開く。このステップＳ２０では、可変翼６４を全開の開度にすることが望ましい。このように、可変翼６４を全開の開度に
することで、タービン６３によるポンプ損失を低減することができるので、エンジンフリクションの低減に有利になる。
ステップＳ３０では、制御装置８０が、ＥＧＲバルブ５３を開く。このステップＳ３０では、ＥＧＲバルブ５３を全開の開度にすることが望ましい。このように、ＥＧＲバルブ５３を全開の開度にすることで、ＥＧＲ通路５１を開放することで、ポンプ損失を低減することができるので、エンジンフリクションの低減に有利になる。
ステップＳ４０では、制御装置８０が、可変動弁機構６５により排気バルブ４８を圧縮行程及び膨張行程で開く。このステップＳ４０は、圧縮開放ブレーキを作動するときの排気バルブ４８の開閉制御とは異なる制御であり、それぞれの行程で排気バルブ４８を開き続けることが好ましい。この制御を詳しく説明すると、まず、制御装置８０が、図示しないクランク角センサにより、各気筒１２の行程を取得する。次いで、各気筒１２のそれぞれで圧縮行程が開始されると同時に各排気バルブ４８を全開に開弁する。このときに、気筒１２の内部の気体は圧縮されずに排気バルブ４８から排出されるので、気筒１２の内部圧力が高まることを抑制できる。
また、このステップＳ４０では、排気バルブ４８を圧縮行程で開くことに加えて、排気バルブ４８を膨張行程で開く（図３の別形態では、吸気バルブ４６を膨張行程で開く）。このように、排気バルブ４８を吸気行程以外で、つまり圧縮行程、膨張行程、及び排気行程の全てで開弁し続けることにより、気筒１２の内部圧力が高くなることを回避すると、エンジンフリクションの低減に有利になる。
このステップＳ２０〜ステップＳ４０が完了すると、スタートへ戻り、条件が成立しなくなるまで、ステップＳ２０〜ステップＳ４０が行われる。
以上のような制御を行うようにしたことで、エンジン１０の燃料の噴射が停止していると共に、モータージェネレーター３１が回生発電している状態の走行中で、エンジン１０のポンプ損失を低減することにより、燃料の噴射が停止している走行中におけるエンジンフリクションを低減することができる。
これにより、エンジン１０の燃料の噴射が停止している共に、モータージェネレーター３１が回生発電している状態の走行中の回生発電によって発電された電力を、エンジンフリクションが低減された状態で増加して効率良く高電圧バッテリー３２に充電し、高電圧バッテリー３２の充電量を増加することができる。その結果として、燃料を消費したモータージェネレーター３１の回生発電の機会を低減できると共に、モータージェネレーター３１によるアシストやモータージェネレーター３１のみでの走行の機会を増加できるので、燃費を向上できる。
この実施形態においては、可変翼ターボチャージャー５７と、ＥＧＲバルブ５３と、可変動弁機構６５とを全て有したエンジン１０を例に説明した。しかし、本発明においては、それらの装置のうちのいずれかを有してエンジン１０を構成してもよい。また、それらの装置のうちのいずれか二つの組み合わせを有してエンジン１０を構成してもよい。
また、この実施形態においては、制御装置８０が、可変翼６４を開く制御、ＥＧＲバルブ５３を開く制御、並びに、可変動弁機構６５により排気バルブ４８を圧縮行程及び膨張行程で開く制御を行う構成にした例を説明した。しかし、本発明においては、制御装置８０を、それらのうちの制御のうちのいずれかを行う構成にしてもよい。また、制御装置８０を、それらの制御のうちのいずれか二つの組み合わせを行う構成にしてもよい。
但し、エンジン１０が、可変翼ターボチャージャー５７を有している場合には、可変翼６４を開く制御を、ＥＧＲバルブ５３を有している場合には、ＥＧＲバルブ５３を開く制御を、可変動弁機構６５を有している場合には、排気バルブ４８を圧縮行程及び膨張行程で開く制御を行うことになる。
特に、エンジン１０が、図２に示すように、可変翼ターボチャージャー５７と、ＥＧＲバルブ５３と、可変動弁機構６５とを全て有して構成され、制御装置８０が、可変翼６４を開く制御、ＥＧＲバルブ５３を開く制御、並びに、可変動弁機構６５により排気バルブ４８を圧縮行程及び膨張行程で開く制御の全てを行うように構成されることが最良の形態である。また、エンジン１０が、図３に示すように、可変翼ターボチャージャー５７と、ＥＧＲバルブ５３と、可変動弁機構６５、６６とを全て有して構成され、制御装置８０が、可変翼６４を開く制御、ＥＧＲバルブ５３を開く制御、並びに、可変動弁機構６６により吸気バルブ４６を膨張行程で開くと共に、可変動弁機構６５により排気バルブ４８を圧縮行程で開く制御の全てを行うように構成されることが最良の形態である。つまり、この実施形態のように、全ての制御を行うことで、エンジン１０のエンジンフリクションを最も効果的に低減することができるので、最も燃費の向上に有利になる。
１０ エンジン
３０ ハイブリッドシステム
３１ モータージェネレーター
４７ 排気バルブ
５１ ＥＧＲ通路
５３ ＥＧＲバルブ
５７ 可変翼ターボチャージャー
６３ タービン
６４ 可変翼
６５ 可変動弁機構
８０ 制御装置

Claims (5)

  1. エンジンの動力を伝達する出力軸に接続されたモータージェネレーターを有するハイブリッドシステムと、制御装置と、を備えたハイブリッド車両において、
    前記エンジンが、可変翼を開くことによりタービンにおける排気ガスの通過面積を拡大可能な可変翼ターボチャージャーと、開弁することによりＥＧＲ通路におけるＥＧＲガスの流量を増加するＥＧＲバルブと、排気バルブの開閉時期を自在に変動する可変動弁機構とのいずれか一つ、あるいはいずれか二つの組み合わせ、あるいは全部を有してなり、
    前記制御装置が、前記エンジンの燃料の噴射が停止していると共に、前記モータージェネレーターが回生発電している状態の走行中に、前記可変翼を開く制御、前記ＥＧＲバルブを開く制御、並びに、前記可変動弁機構により前記排気バルブを圧縮行程で開く制御のうちのいずれか一つ、あるいはいずれか二つの組み合わせ、あるいは全部を行うように構成されたことを特徴とするハイブリッド車両。
  2. 前記エンジンが、前記可変動弁機構を有してなり、
    前記制御装置が、前記エンジンの燃料の噴射が停止していると共に、前記モータージェネレーターが回生発電している状態の走行中に、前記可変動弁機構により前記排気バルブを圧縮行程及び膨張行程で全開に開く制御を行うように構成された請求項１に記載のハイブリッド車両。
  3. 前記エンジンが、前記排気バルブの開閉時期を自在に変動する前記可変動弁機構に加えて、吸気バルブの開閉時期を自在に変動する可変動弁機構を有してなり、
    前記制御装置が、前記エンジンの燃料の噴射が停止していると共に、前記モータージェネレーターが回生発電している状態の走行中に、それらの可変動弁機構により、前記吸気バルブを膨張行程で開くと共に、前記排気バルブを圧縮行程で開く制御を行うように構成された請求項１に記載のハイブリッド車両。
  4. 前記エンジンが、前記可変翼ターボチャージャーと、前記ＥＧＲバルブと、を有してなり、
    前記制御装置が、前記エンジンの燃料の噴射が停止していると共に、前記モータージェネレーターが回生発電している状態の走行中に、前記可変翼を全開に開く制御、及び、前記ＥＧＲバルブを全開に開く制御の両方を行うように構成された請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド車両。
  5. 走行中に、エンジンの燃料の噴射を停止すると共に、モータージェネレーターを回生発電するハイブリッド車両の制御方法において、
    可変翼ターボチャージャーの可変翼を開くステップと、
    ＥＧＲバルブを開くステップと、
    可変動弁機構により排気バルブを圧縮行程で開くステップとのうちのいずれか一つ、あるいはいずれか二つの組み合わせ、あるいは全部を含むことを特徴とするハイブリッド車両の制御方法。
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