JP2018090125A - ハイブリッド車両 - Google Patents

Abstract

【課題】クランクシャフトの回転変動を抑制する。【解決手段】ハイブリッド車両は、複数の気筒を有する内燃機関１と、内燃機関のクランクシャフト２に連結されたモータジェネレータ３と、モータジェネレータを制御するように構成された制御ユニット１００とを備える。制御ユニットは、クランクシャフトの回転速度の上昇時にモータジェネレータからクランクシャフトに逆トルクを付与し、クランクシャフトの回転速度の下降時にモータジェネレータからクランクシャフトに順トルクを付与し、クランクシャフトの回転変動を抑制するよう、モータジェネレータを制御するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明はハイブリッド車両に係り、特に、内燃機関とモータジェネレータの二つの車両動力源を備えるハイブリッド車両に関する。

かかるハイブリッド車両（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）に搭載され、複数の気筒を有する多気筒内燃機関では、各気筒で発生する周期的燃焼ないし爆発に起因して、クランクシャフトにトルク変動（出力トルクの変動）および回転変動が生じる。かかるトルク変動および回転変動は車両の振動騒音性能を低下させる。このためトルク変動および回転変動を抑制することが望まれる。なおトルク変動に起因して回転変動が生じ、両者は同義と扱えるため、以下の説明では両者を総称して回転変動という。

特開２０１１−１９５０９３号公報

従来、他方の車両動力源であるモータジェネレータを利用してクランクシャフトの回転変動を抑制することがある。しかし従来では、各気筒の燃焼周期と無関係にモータジェネレータからクランクシャフトにトルクを付与することがあり、これではクランクシャフトの回転変動を効果的に抑制するのが困難である。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、クランクシャフトの回転変動を効果的に抑制できるハイブリッド車両を提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
複数の気筒を有する内燃機関と、
前記内燃機関のクランクシャフトに連結されたモータジェネレータと、
前記モータジェネレータを制御するように構成された制御ユニットと、
を備え、
前記制御ユニットは、前記クランクシャフトの回転速度の上昇時に前記モータジェネレータから前記クランクシャフトに逆トルクを付与し、前記クランクシャフトの回転速度の下降時に前記モータジェネレータから前記クランクシャフトに順トルクを付与し、前記クランクシャフトの回転変動を抑制するよう、前記モータジェネレータを制御す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車両が提供される。

好ましくは、前記制御ユニットは、前記クランクシャフトの回転速度の上昇時に前記モータジェネレータを発電機として機能させ、前記クランクシャフトの回転速度の下降時に前記モータジェネレータを電動機として機能させる。

好ましくは、前記ハイブリッド車両は、前記クランクシャフトの回転速度を検出するための回転速度センサをさらに備え、
前記制御ユニットは、前記回転速度センサにより検出された回転速度に基づき、前記回転速度の単位時間当たりの変化量を算出し、前記変化量に基づいて前記モータジェネレータを制御する。

好ましくは、前記制御ユニットは、前記変化量が正のとき前記モータジェネレータから前記クランクシャフトに逆トルクを付与し、前記変化量が負のとき前記モータジェネレータから前記クランクシャフトに順トルクを付与するよう、前記モータジェネレータを制御する。

好ましくは、前記制御ユニットは、前記変化量が正でかつその絶対値が大きいほど逆トルクを増大させ、前記変化量が負でかつその絶対値が大きいほど順トルクを増大させるよう、前記モータジェネレータを制御する。

好ましくは、前記制御ユニットは、前記ハイブリッド車両のアイドル停車時において、前記クランクシャフトの回転速度の上昇および下降に応じた前記モータジェネレータの制御を実行する。

本発明の他の態様によれば、
複数の気筒を有する内燃機関と、
前記内燃機関のクランクシャフトに連結されたモータジェネレータと、
前記モータジェネレータを制御するように構成された制御ユニットと、
を備え、
前記制御ユニットは、前記クランクシャフトの回転変動を抑制すべく、
前記クランクシャフトの回転速度の上昇時に前記モータジェネレータから前記クランクシャフトに逆トルクを付与するよう前記モータジェネレータを制御すること、および、
前記クランクシャフトの回転速度の下降時に前記モータジェネレータから前記クランクシャフトに順トルクを付与するよう前記モータジェネレータを制御すること、
の少なくとも一方を実行す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車両が提供される。

本発明によれば、クランクシャフトの回転変動を効果的に抑制できる。

本発明の第１実施形態に係るハイブリッド車両の概略構成図である。 クランクシャフトの回転変動の一例を示すグラフである。 微分値と回転変動抑制トルクとの関係を規定したマップを示す。 第１実施形態の制御ルーチンを示すフローチャートである。 第２実施形態に係るハイブリッド車両の概略構成図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るハイブリッド車両の概略構成図である。本実施形態において、車両（図示せず）はトラック等の大型車両であり、これに搭載される第１の車両動力源としての内燃機関（エンジンという）１はディーゼルエンジンである。しかしながら、車両および内燃機関の種類、用途等に特に限定はなく、例えば車両は乗用車等の小型車両であってもよいし、エンジン１はガソリンエンジンであってもよい。

エンジン１のクランクシャフト２には、第２の車両動力源としてのモータジェネレータ（Ｍ／Ｇという）３が連結されている。本実施形態ではクランクシャフト２にＭ／Ｇ３が直接的に連結（すなわち直結）されているが、歯車機構、ベルト機構、チェーン機構等の動力伝達機構を介してＭ／Ｇ３が連結されていてもよい。

エンジン１は、複数の気筒（本実施形態では４気筒）を有する４サイクルディーゼルエンジンであって、各気筒（＃１〜４気筒）にはそれぞれ燃料を噴射するインジェクタ４が設けられている。インジェクタ４は、高圧ポンプ（図示せず）から供給された加圧燃料を貯留するコモンレール（図示せず）に接続されている。

Ｍ／Ｇ３は、クランクシャフト２に同軸に取り付けられたロータ５と、ロータ５の外周側に固設されたステータ６とを備える。Ｍ／Ｇ３には周知のようにインバータ（図示せず）を介してバッテリ（図示せず）が接続される。

Ｍ／Ｇ３の動力伝達方向下流側には、マニュアル式摩擦クラッチ７と、手動変速機からなる変速機８とが上流側から順に直列に設けられる。すなわち本実施形態の車両はマニュアル車である。クラッチ７にはクラッチペダル９が機械的に連結され、変速機８にはシフトレバー１０が機械的に連結されている。

変速機８の出力軸１１には周知のように、プロペラシャフト、ディファレンシャル装置等（いずれも図示せず）を介して駆動輪である車輪１２が連結される。

また車両には、制御ユニットもしくはコントローラをなす電子制御ユニット（ＥＣＵという）１００が設けられる。ＥＣＵ１００はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含む。ＥＣＵ１００は、インジェクタ４およびＭ／Ｇ３を後述の如く制御するように構成され、プログラムされている。

センサ類に関して、クランクシャフト２の回転速度を検出するための回転速度センサ２１と、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ２２とが設けられる。ここではクランクシャフト２の回転速度として、毎分当たりのクランクシャフト２の回転数すなわちエンジン回転数（ｒｐｍ）が検出される。アクセル開度は、アクセルペダルが踏み込まれていないとき（アクセル全閉のとき）０％、アクセルペダルが最大に踏み込まれたとき（アクセル全開のとき）１００％であり、０〜１００％の間を無段階で変化し得る。

また、クラッチ７の断接状態を検出するためのクラッチスイッチ２３と、変速機８のシフトポジションを検出するためのシフトポジションセンサ２４と、車速を検出するための車速センサ２５とが設けられている。これらセンサ類の出力信号はＥＣＵ１００に送られる。なお車速センサ２５は、直接的には変速機８の出力軸１１の回転速度を検出するものであり、ＥＣＵ１００はこの検出された出力軸回転速度を車速に換算する。

次に、クランクシャフト２の回転変動を抑制するためにＥＣＵ１００によって実行される本実施形態の回転変動抑制制御について説明する。

図２にはクランクシャフト２の回転変動の一例、特にエンジン１のアイドル運転時における回転変動の一例を示す。横軸はクランク角θ（°ＣＡ）、縦軸はエンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）である。ここでは＃１気筒が圧縮上死点（図中ＴＤＣと表記）となるクランク角を基準クランク角＝０°ＣＡとする。４気筒エンジンなので１８０（＝７２０／４）°ＣＡ毎に各気筒の圧縮上死点が順次到来し、図示例では所定の燃焼順序に従って＃１気筒、＃３気筒、＃４気筒、＃２気筒の圧縮上死点が順次到来する。

エンジン回転数Ｎｅは、各圧縮上死点のタイミングで極小値Ｐ１となり、隣り合う圧縮上死点間の略中間タイミングで極大値Ｐ２となるよう、１８０°ＣＡ毎に周期的に変化する。そしてエンジン回転数Ｎｅは、極小値Ｐ１から次の極大値Ｐ２に向かう過程で上昇し、極大値Ｐ２から次の極小値Ｐ１に向かう過程で下降する。

ＥＣＵ１００は、エンジン回転数Ｎｅの上昇時にＭ／Ｇ３からクランクシャフト２に逆トルクを付与し、エンジン回転数Ｎｅの下降時にＭ／Ｇ３からクランクシャフト２に順トルクを付与し、クランクシャフト２の回転変動を抑制するよう、Ｍ／Ｇ３を制御するように構成されている。ここでクランクシャフト２は一方向に回転し、このクランクシャフト２の回転方向に対し逆向きのトルクが逆トルクであり、クランクシャフト２の回転方向と同一方向のトルクが順トルクである。

かかる制御、すなわち回転変動抑制制御により、エンジン回転数Ｎｅの極小値Ｐ１と極大値Ｐ２の間の幅すなわち回転幅Ｐ（＝Ｐ２−Ｐ１）を減少することが可能となり、クランクシャフト２の回転変動を効果的に抑制することが可能となる。

ここでＥＣＵ１００は、エンジン回転数Ｎｅの上昇時にＭ／Ｇ３を発電機として機能させる。これによりクランクシャフト２に逆トルクとなる回生トルクを付与することができ、エンジン回転数Ｎｅの上昇速度を効果的に低減できる。またＥＣＵ１００は、エンジン回転数Ｎｅの下降時にＭ／Ｇ３を電動機として機能させる。これによりクランクシャフト２に順トルクとなるアシストトルクを付与することができ、エンジン回転数Ｎｅの下降速度を効果的に低減できる。この結果、回転幅Ｐを減少して回転変動を抑制できる。

このように、エンジン回転数Ｎｅが１８０°ＣＡ周期で上昇および下降する度に、回生トルクおよびアシストトルクを交互かつ連続的に付与して回転変動を抑制するので、各気筒の燃焼周期（＝１８０°ＣＡ）と同期した効果的なトルク付与を行うことが可能である。

本実施形態において、ＥＣＵ１００は、回転速度センサ２１により検出されたエンジン回転数Ｎｅに基づき、エンジン回転数Ｎｅの単位時間当たりの変化量を算出し、この変化量に基づいてＭ／Ｇ３を制御する。ここでは、エンジン回転数Ｎｅの単位時間当たりの変化量として、ＥＣＵ１００の演算周期τ（例えば１０ｍｓ）当たりのエンジン回転数変化量である微分値ΔＮｅが用いられる。今回の演算時期ｎのエンジン回転数をＮｅ_n、前回の演算時期ｎ−１のエンジン回転数をＮｅ_n-1とすると、今回の演算時期ｎの微分値ΔＮｅ_nは次式で求められる。
ΔＮｅ_n＝Ｎｅ_n−Ｎｅ_n-1

エンジン回転数Ｎｅの上昇時には正の微分値ΔＮｅが得られ、エンジン回転数Ｎｅの下降時には負の微分値ΔＮｅが得られる。ＥＣＵ１００は、毎回の演算時期において、微分値ΔＮｅが正のときにはＭ／Ｇ３を発電機として機能させ、Ｍ／Ｇ３からクランクシャフト２に回生トルクを付与し、他方、微分値ΔＮｅが負のときにはＭ／Ｇ３を電動機として機能させ、Ｍ／Ｇ３からクランクシャフト２にアシストトルクを付与するよう、Ｍ／Ｇ３を制御する。これにより、極短い演算周期τ毎に緻密に回転変動抑制トルク（回生トルクおよびアシストトルクの総称）をクランクシャフト２に付与し、回転変動を効果的に抑制することができる。

もっとも、単位時間は必ずしも演算周期τに等しくなくてもよく、より長い時間、例えば演算周期τの複数倍の時間に等しい値であってもよい。そしてこの単位時間毎に回転変動抑制トルクを付与するようにしてもよい。

ところで本実施形態のＥＣＵ１００は、図３に示すように、微分値ΔＮｅが正でかつその絶対値が大きいほど回生トルクを増大させ、微分値ΔＮｅが負でかつその絶対値が大きいほどアシストトルクを増大させるよう、Ｍ／Ｇ３を制御する。ここで図中、縦軸のＴは回転変動抑制トルクを表し、これが正ならアシストトルク、負なら回生トルクである。ＥＣＵ１００には、図３に示すような、微分値ΔＮｅと回転変動抑制トルクＴとの関係を予め規定したマップが記憶されている。ＥＣＵ１００は、算出された微分値ΔＮｅに対応した回転変動抑制トルクＴをマップから求め、求められた回転変動抑制トルクＴが実際にＭ／Ｇ３から出力されるよう、Ｍ／Ｇ３を制御する。

こうすることで、エンジン回転数Ｎｅの上昇速度が速いほど、大きな回生トルクをクランクシャフト２に付与して上昇速度を低減させ、回転変動を効果的に抑制できる。また逆に、エンジン回転数Ｎｅの下降速度が速いほど、大きなアシストトルクをクランクシャフト２に付与して下降速度を低減させ、回転変動を効果的に抑制できる。

なお、図３に示したマップの線図は一例であり、あくまで微分値ΔＮｅに対する回転変動抑制トルクＴの変化傾向を示しているに過ぎない。マップの線図の形は試験等を通じて最適に設定可能である。

ところで本実施形態のＥＣＵ１００は、車両のアイドル停車時においてのみ、エンジン回転数Ｎｅの上昇および下降に応じたＭ／Ｇ３の制御、すなわち回転変動抑制制御を実行し、それ以外のときには回転変動抑制制御を実行しない。かかる回転変動に基づく振動騒音が乗員にとって最も気になり、最も問題となるのが車両のアイドル停車時であり、逆に、それ以外のときには車両走行中の振動騒音（路面振動、風切り音等を含む）が重畳してそれが特に問題とならないからである。また、車両走行中のエンジンの加減速時（過渡運転時）に回転変動を抑制しようとするのはあまりに現実的でないからである。従って、このように回転変動抑制制御を実行する機会を限定することで、必要な状況下においてのみ回転変動抑制制御を実行でき、制御の効率化が図れる。

本実施形態において、車両のアイドル停車時とは、少なくとも（１）車速がゼロ、（２）アクセル開度が０％、（３）エンジン回転数Ｎｅが所定のアイドル回転数Ｎｉ近傍の所定範囲内すなわち所定のアイドル域内（Ｎｉ±α）に所定時間以上維持されている（つまりエンジンがアイドル運転中である）、の３条件が成立したときをいう。しかしながらこの条件は適宜変更可能である。例えば（４）変速機８がニュートラルである、（５）クラッチ７が断されている、といった条件を加えることも可能である。なお（４）および（５）は、車輪１２からエンジン１への入力が断たれた状態と言い換えることもできる。

次に、本実施形態における制御ルーチンを図４を参照して説明する。図示するルーチンはＥＣＵ１００により演算周期τ毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１では、車速センサ２５により検出された車速Ｖがゼロであるか否かが判断される。ゼロでなければルーチンが終了され、ゼロであればステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、アクセル開度センサ２２により検出されたアクセル開度Ａｃがゼロ％であるか否かが判断される。ゼロ％でなければルーチンが終了され、ゼロ％であればステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、エンジン回転数Ｎｅが所定のアイドル域内に所定時間以上あるか否か、すなわちエンジンがアイドル運転中であるか否かが判断される。アイドル運転中でなければルーチンが終了され、アイドル運転中であればステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、シフトポジションセンサ２４により検出された変速機８のシフトポジション（ギア）がニュートラル（Ｎ）であるか、またはクラッチスイッチ２３により検出されたクラッチ７の断接状態が断状態であるか否かが判断される。当該条件が満たされない場合にはルーチンが終了され、当該条件が満たされている場合にはステップＳ１０５に進む。なお当該条件が満たされた場合、回転変動抑制制御を実行するための前提条件が成立することとなる。因みにステップＳ１０４は省略も可能である。

ステップＳ１０５では、回転速度センサ２１により検出されたエンジン回転数Ｎｅが取得される。そしてステップＳ１０６では前式に基づきエンジン回転数の微分値ΔＮｅが算出される。

ステップＳ１０７では、図３に示したようなマップを参照して、算出された微分値ΔＮｅに対応する回転変動抑制トルクＴが算出される。次いでステップＳ１０８では、算出された回転変動抑制トルクＴが実際にＭ／Ｇ３から出力されるよう、Ｍ／Ｇ３が制御される。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。なお前記第１実施形態と同様の部分には図中同一符号を付して説明を割愛し、以下、第１実施形態との相違点を主に説明する。

図５に示すように、本実施形態では、ハイブリッド車両がオートマチック車とされる。すなわち車両には、本来マニュアル式である変速機８を自動的に変速操作するための変速アクチュエータ３１と、本来マニュアル式である摩擦クラッチ７を自動的に断接操作するためのクラッチアクチュエータ３２とが追加で装備されている。いわゆる自動化手動変速機（AMT:Automatic Manual Transmission）の構成である。この場合、摩擦クラッチ７は湿式多板クラッチであってもよい。

シフトレバー１０Ａは、変速機８に機械的に連結されておらず、その代わりに、シフトレバー１０Ａの動作がシフトレバースイッチ３３によって検出される。運転手が所望のギア段にシフトレバー１０Ａを操作したとき、その操作がシフトレバースイッチ３３によって検知される。ＥＣＵ１００は、シフトレバースイッチ３３からの信号に基づき、その所望のギア段に変速機８を変速すべく、変速アクチュエータ３１およびクラッチアクチュエータ３２を制御する。

本実施形態の制御は第１実施形態と同様である。ＥＣＵ１００は、図４に示す制御ルーチンに従ってＭ／Ｇ３を制御する。従って本実施形態は第１実施形態と同様の優れた作用効果を発揮する。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は以下のような他の実施形態も可能である。

（１）例えばＭ／Ｇ３は、電動機として機能したときエンジン１に比べ著しく低い出力しか発生できないもの、すなわちエンジン１をきわめて補助的にしかアシストできないものであってもよい。こうしたものであっても、クランクシャフト２の回転変動、特にアイドル運転時の回転変動の抑制には十分である可能性が高いからである。

（２）ハイブリッド車両は、小型車両に多く見られるような、トルクコンバータと自動変速機を組み合わせた変速機構を備えたものであってもよい。この場合も図４に示す制御ルーチンに従った制御が可能である。ドライブレンジでギアイン中のアイドル停車時であって、クリープが発生している最中に回転変動抑制制御（ステップＳ１０５〜Ｓ１０８）を実行してもよい。この場合、図４に示す制御ルーチンにおいて、ステップＳ１０４の「クラッチ７は断状態か」という条件が省略される。また「ブレーキ（フットブレーキおよびパーキングブレーキの少なくとも一方を含む）が作動中か」という条件が追加されてもよい。この場合、ブレーキ作動中でなければ回転変動抑制制御が実行されず、ブレーキ作動中であれば回転変動抑制制御が実行される。

（３）第１および第２実施形態では、エンジン回転数Ｎｅの上昇時に回生トルクを付与すること、およびエンジン回転数Ｎｅの下降時にアシストトルクを付与することの両方を実行したが、いずれか一方のみを実行してもよい。こうしても、第１および第２実施形態ほどではないが、エンジン回転数Ｎｅの回転幅Ｐを減少してクランクシャフト２の回転変動を効果的に抑制することが可能と考えられるからである。

前述の各実施形態の構成は、特に矛盾が無い限り、部分的にまたは全体的に組み合わせることが可能である。本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 内燃機関（エンジン）
２ クランクシャフト
３ モータジェネレータ（Ｍ／Ｇ）
２１ 回転速度センサ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (7)

1. 複数の気筒を有する内燃機関と、
   前記内燃機関のクランクシャフトに連結されたモータジェネレータと、
   前記モータジェネレータを制御するように構成された制御ユニットと、
   を備え、
   前記制御ユニットは、前記クランクシャフトの回転速度の上昇時に前記モータジェネレータから前記クランクシャフトに逆トルクを付与し、前記クランクシャフトの回転速度の下降時に前記モータジェネレータから前記クランクシャフトに順トルクを付与し、前記クランクシャフトの回転変動を抑制するよう、前記モータジェネレータを制御す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車両。
2. 前記制御ユニットは、前記クランクシャフトの回転速度の上昇時に前記モータジェネレータを発電機として機能させ、前記クランクシャフトの回転速度の下降時に前記モータジェネレータを電動機として機能させる
   ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車両。
3. 前記クランクシャフトの回転速度を検出するための回転速度センサをさらに備え、
   前記制御ユニットは、前記回転速度センサにより検出された回転速度に基づき、前記回転速度の単位時間当たりの変化量を算出し、前記変化量に基づいて前記モータジェネレータを制御する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のハイブリッド車両。
4. 前記制御ユニットは、前記変化量が正のとき前記モータジェネレータから前記クランクシャフトに逆トルクを付与し、前記変化量が負のとき前記モータジェネレータから前記クランクシャフトに順トルクを付与するよう、前記モータジェネレータを制御する
   ことを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド車両。
5. 前記制御ユニットは、前記変化量が正でかつその絶対値が大きいほど逆トルクを増大させ、前記変化量が負でかつその絶対値が大きいほど順トルクを増大させるよう、前記モータジェネレータを制御する
   ことを特徴とする請求項３または４に記載のハイブリッド車両。
6. 前記制御ユニットは、前記ハイブリッド車両のアイドル停車時において、前記クランクシャフトの回転速度の上昇および下降に応じた前記モータジェネレータの制御を実行する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のハイブリッド車両。
7. 複数の気筒を有する内燃機関と、
   前記内燃機関のクランクシャフトに連結されたモータジェネレータと、
   前記モータジェネレータを制御するように構成された制御ユニットと、
   を備え、
   前記制御ユニットは、前記クランクシャフトの回転変動を抑制すべく、
   前記クランクシャフトの回転速度の上昇時に前記モータジェネレータから前記クランクシャフトに逆トルクを付与するよう前記モータジェネレータを制御すること、および、
   前記クランクシャフトの回転速度の下降時に前記モータジェネレータから前記クランクシャフトに順トルクを付与するよう前記モータジェネレータを制御すること、
   の少なくとも一方を実行す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車両。

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