JP2020051329A

JP2020051329A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2020051329A
Application number: JP2018181466A
Authority: JP
Inventors: 大善津田; Hiroyoshi Tsuda
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-04-02

Abstract

【課題】低温環境下での内燃機関の始動によりスカッフや焼き付き等の不具合が発生することを防止する。【解決手段】内燃機関を始動するに際し、潤滑油ポンプにより圧送され内燃機関の各所を潤滑する潤滑油の温度が所定以下の低温である場合には、始動のために内燃機関の回転軸を電動機により回転駆動するモータリングにおいて内燃機関の回転速度を所定の上限速度以下に制限し、かつ内燃機関の潤滑に支障がなくなると考えられる期間が経過するまで、気筒に燃料を供給せずにそのモータリングを続行する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関を制御する制御装置に関する。

近時、内燃機関及び電動機の二つの動力源を備えるハイブリッド車両が一定の普及を見ている。シリーズ方式のハイブリッド車両（例えば、下記特許文献を参照）は、内燃機関により発電用モータジェネレータを駆動して発電を行い、発電した電力を蓄電装置（バッテリ及び／またはキャパシタ）に蓄えるとともに走行用モータジェネレータに供給する。そして、走行用モータジェネレータによって車両の車軸ひいては駆動輪を回転させて走行する。

ハイブリッド車両では、内燃機関が燃料を燃焼させて回転駆動力を発生させなくとも、走行用モータジェネレータが出力する回転駆動力により車両を走行させることが可能である。故に、車両の運用中であっても、内燃機関の運転を停止している状態が継続することがある。

シリーズ方式のハイブリッド車両にあって、発電用モータジェネレータは、停止した内燃機関を始動する際に内燃機関をモータリング（または、クランキング）する役割を兼ねる。モータリング時には、蓄電装置から必要な電力の供給を受ける。

走行用モータジェネレータもまた、回生制動により発電を行い、発電した電力を蓄電装置に蓄えることができる。蓄電装置の容量一杯まで既に電荷が蓄えられている場合には、回生制動により得られる電力を敢えて発電用モータジェネレータに供給し、これを電動機として作動させて内燃機関を回転駆動することで、余剰の電力を消費する。

蓄電装置が現在蓄えている電荷の量が所定量を下回っている場合、または走行用モータジェネレータに要求される出力駆動力が極大である場合には、内燃機関を始動するとともに内燃機関に燃料を供給してこれを燃焼させ、内燃機関の出力する回転駆動力を以て発電用モータジェネレータを駆動し、発電を実施して蓄電装置を充電し、または走行モータジェネレータに供給する電力を増強する。

運転者の意思に合致したレスポンスを実現するべく、内燃機関の始動は可及的速やかに完遂することが望ましい。内燃機関のモータリングは、当該内燃機関が燃料を燃焼させて自立的に回転できるようになるまで続行する。ハイブリッド車両に搭載されるモータジェネレータは、従来型の車両における内燃機関をモータリングするスタータモータ（または、セルモータ）と比較して出力が高く、内燃機関の回転をより早く加速することが可能である。

特開２０１６−０６４７３５号公報

内燃機関はその内部に多くの摺動部や回転部を包有しており、それら各部に潤滑油を供給して摩擦抵抗を減少させることが求められる。いわゆるウェットサンプ方式の内燃機関では、その最下部にオイルパンを配置し、オイルパンに貯留された潤滑油を潤滑油ポンプにより吸引、吐出して内燃機関の各部に向けて圧送する。内燃機関の各部の潤滑を終えた潤滑油は、重力により流下して再びオイルパンへと帰還する。

低温環境下では、潤滑油も冷却されてその粘性が高まる。潤滑油が極低温となっている状態で内燃機関を始動する場合には、潤滑油ポンプが吐出する潤滑油圧の上昇が遅くなる。内燃機関の各所に必要最小限の潤滑が供給される前に内燃機関が高回転化してしまうと、スカッフ（ピストンまたはピストンリングにより気筒のシリンダボアの内壁に傷が付く）や焼き付きその他の不具合が生じるおそれがある。

本発明は、低温環境下での内燃機関の始動によりスカッフや焼き付き等の不具合が発生することを防止しようとするものである。

本発明では、内燃機関を始動するに際し、潤滑油ポンプにより圧送され内燃機関の各所を潤滑する潤滑油の温度が所定以下の低温である場合には、始動のために内燃機関の回転軸を電動機により回転駆動するモータリングにおいて内燃機関の回転速度を所定の上限速度以下に制限し、かつ内燃機関の潤滑に支障がなくなると考えられる期間が経過するまで、気筒に燃料を供給せずにそのモータリングを続行する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、低温環境下での内燃機関の始動によりスカッフや焼き付き等の不具合が発生することを防止できる。

本発明の一実施形態におけるシリーズ方式のハイブリッド車両及び制御装置の概要を示す図。同実施形態の内燃機関の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。同実施形態の内燃機関の制御装置が実施する制御の内容を示すタイミング図。

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ハイブリッド車両の主要システムの概略構成を示している。このハイブリッド車両は、内燃機関１と、内燃機関１により駆動されて発電を行う発電用モータジェネレータ２と、発電用モータジェネレータ２が発電した電力を蓄える蓄電装置３と、発電用モータジェネレータ２及び／または蓄電装置３から電力の供給を受けて車両の車軸ひいては駆動輪６２を駆動する走行用モータジェネレータ４とを備えている。

本実施形態のハイブリッド車両は、内燃機関１を発電にのみ使用するシリーズハイブリッド方式の電気自動車であり、車両の駆動輪６２には専ら走行用モータジェネレータ４から走行のための駆動力を供給する。内燃機関１と駆動輪６２との間は機械的に切り離されており、元来両者の間で回転駆動力の伝達がなされない。従って、イグニッションスイッチ（パワースイッチ、またはイグニッションキー）がＯＮに操作されている車両の運用中、換言すれば運転者がアクセルペダルを踏むことで車両が走行可能な状態にあっても、蓄電装置３が充分な電荷を蓄えている状況下では、燃料の燃焼を伴う内燃機関１の運転を実施しない。

内燃機関１は、例えば複数の気筒を包有する４ストロークエンジンである。内燃機関１の回転軸であるクランクシャフトは、発電用モータジェネレータ２の回転軸と歯車機構を介して機械的に接続している。そして、内燃機関１が出力する回転駆動力を発電用モータジェネレータ２に入力することで、発電用モータジェネレータ２が発電する。発電した電力は、蓄電装置３に充電し、及び／または、走行用モータジェネレータ４に供給する。また、発電用モータジェネレータ２は、自らが回転駆動力を発生させて内燃機関１のクランクシャフトを回転駆動する電動機としても機能する。例えば、発電用モータジェネレータ２は、停止している内燃機関１を始動するためのモータリング（クランキング）を実行することがある。

走行用モータジェネレータ４は、車両の走行のための駆動力を発生させ、その駆動力を減速機６１を介して駆動輪６２に入力する。また、走行用モータジェネレータ４は、駆動輪６２に連れ回されて回転することで発電し、車両の運動エネルギを電気エネルギとして回収する。この回生制動により発電した電力は、蓄電装置３に充電する。

但し、既に蓄電装置３の容量一杯まで電荷が蓄えられており、それ以上の充電が困難である場合には、発電した電力を敢えて発電用モータジェネレータ２に供給し、発電用モータジェネレータ２を電動機として稼働させて内燃機関１を回転駆動する。これにより、車両の制動性能を維持しながら、余剰の電力を消尽する。また、このとき、内燃機関１の回転が保たれることから、内燃機関１の気筒への燃料供給を一時的に停止する燃料カットを実行することができる。

発電機インバータ２１は、発電用モータジェネレータ２が発電する交流電力を直流電力に変換する。そして、その直流電力を蓄電装置３または駆動機インバータ４１に入力する。並びに、発電機インバータ２１は、発電用モータジェネレータ２を電動機として作動させる際に、蓄電装置３及び／または駆動機インバータ４１から供給される直流電力を交流電力に変換した上で発電用モータジェネレータ２に入力する。

駆動機インバータ４１は、蓄電装置３及び／または発電機インバータ２１から供給される直流電力を交流電力に変換した上で走行用モータジェネレータ４に入力する。並びに、駆動機インバータ４１は、車両の回生制動を行うときに走行用モータジェネレータ４が発電する交流電力を直流電力に変換した上で蓄電装置３または発電機インバータ２１に入力する。

発電機インバータ２１及び駆動機インバータ４１は、ＰＣＵ（ＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）の一部をなす。

蓄電装置３は、バッテリ及び／またはキャパシタ等である。蓄電装置３は、発電用モータジェネレータ２及び走行用モータジェネレータ４の各々が発電する電力を充電して蓄える。並びに、蓄電装置３は、発電用モータジェネレータ２及び走行用モータジェネレータ４の各々を電動機として作動させるための電力を放電し、それらモータジェネレータ２、４に必要な電力を供給する。

内燃機関１、発電用モータジェネレータ２、蓄電装置３、インバータ２１、４１及び走行用モータジェネレータ４の制御を司る制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）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。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵ、即ち内燃機関１を制御するエンジンコントローラ０１、発電用モータジェネレータ２及び発電機インバータ２１を制御する発電機コントローラ０２、蓄電装置３を制御するバッテリコントローラ０３、走行用モータジェネレータ４及び駆動機インバータ４１を制御する駆動機コントローラ０４等が、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものである。

ＥＣＵ０は、センサを介してセンシングしている運転者によるアクセルペダルの踏込量や、現在の車両の車速、路面の勾配、蓄電装置３の蓄電量、発電用モータジェネレータ２の発電電力等に応じて、走行用モータジェネレータ４が出力する回転駆動力、内燃機関１が出力する回転駆動力、及び発電用モータジェネレータ２が発電する電力の大きさを増減制御する。蓄電装置３が現在充分な電荷を蓄えており、走行用モータジェネレータ４に要求される出力駆動力が極大でない場合には、内燃機関１への燃料の供給を遮断して内燃機関１を運転しない。

翻って、蓄電装置３が現在蓄えている電荷の量が所定量を下回っている場合、または走行用モータジェネレータ４に要求される出力駆動力が極大である場合には、内燃機関１を始動するとともに内燃機関１に燃料を供給してこれを燃焼させ、内燃機関１の出力する回転駆動力を以て発電量モータジェネレータ２を駆動し、発電を実施して蓄電装置３を充電し、または走行モータジェネレータ４に供給する電力を増強する。

内燃機関１の気筒に燃料を供給して内燃機関１を運転しておらず、走行用モータジェネレータ４により駆動輪６２を駆動して車両を走行させている最中に、内燃機関１を始動しようとするとき、発電用モータジェネレータ２が内燃機関１の始動のためのモータリングを行う。

内燃機関１の始動のためのモータリングは、内燃機関１が燃料を燃焼させて自立的に回転できるようになるまで続行する。通常は、センシングしている内燃機関１のクランクシャフトの回転速度が始動に必要な最低限度の閾値以上に高まり、かつモータリングの開始から内燃機関１のクランクシャフトが所定回数以上または所定角度以上回転した時点で、モータリングを終了する。クランクシャフトが所定回数以上または所定角度以上回転した、という条件は、内燃機関１の各気筒の現在の行程またはピストンの位置を知得する気筒判別が完了した、と置き換えてもよい。各気筒の行程に合わせて適切なタイミングで燃料を噴射し、また適切なタイミングで燃料を着火燃焼させるためには、各気筒の現在の行程を知る必要がある。気筒判別は、クランクシャフトが所定角度（例えば、１０°ＣＡ）回転する都度パルス信号を発するクランク角センサと、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトが所定角度（カムシャフトの一回転を気筒数で割った角度。三気筒エンジンであれば、１２０°（２４０°ＣＡ））回転する都度パルス信号を発するカム角センサとを用いて行う。気筒判別の手法は周知であるので、ここではその説明を割愛するが、クランク角信号及びカム角信号を参照した気筒判別を完了するためには、停止していた内燃機関１のクランクシャフトが二回転程度回転する必要がある。モータリングの開始から終了までの所要時間の長さは、蓄電装置３が故障していなければコンマ数秒以下に短縮することが可能である。

内燃機関１の始動が完了し、内燃機関１のモータリングを終了して以降は、発電用モータジェネレータ２への電力供給を０まで低下させる。

内燃機関１はその内部に多くの摺動部や回転部を包有しており、それら各部に潤滑油を供給して摩擦抵抗を減少させることが求められる。ウェットサンプ方式の内燃機関１では、その最下部にオイルパンを配置し、オイルパンに貯留された潤滑油を潤滑油ポンプにより吸引、吐出して内燃機関１の各部に向けて圧送する。内燃機関１の各部の潤滑を終えた潤滑油は、重力により流下して再びオイルパンへと帰還する。

機械式の（非電動式の）潤滑油ポンプの回転軸は、巻掛伝動機構等を介して内燃機関１のクランクシャフトと接続しており、クランクシャフトに従動して回転する。つまり、機械式の潤滑油ポンプは、内燃機関が出力する回転駆動力の一部の供給を受けて稼働する。

低温環境下では、潤滑油も冷却されてその粘性が高まる。潤滑油が極低温となっている状態で内燃機関１を始動する場合には、潤滑油ポンプが吐出する潤滑油圧の上昇が遅くなる。内燃機関１の各所に必要最小限の潤滑が供給される前に内燃機関１が高回転化してしまうと、内燃機関１においてスカッフや焼き付きその他の不具合が生じるおそれがある。

そこで、図２に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関１を始動するに際して、内燃機関１の潤滑油の温度が所定以下の低温である場合（ステップＳ１）、内燃機関１のクランクシャフトを発電用モータジェネレータ２により回転駆動するモータリングにおいて内燃機関１の回転速度を所定の上限速度以下に制限し（ステップＳ２）、かつ内燃機関１の潤滑に支障がなくなると考えられる期間が経過するまで（ステップＳ３）、気筒に燃料を供給せずにそのモータリングを続行する。

ステップＳ１では、潤滑油温センサを介してセンシングしている潤滑油温を所定の閾値と比較し、潤滑油温が当該閾値以下であるならば、ステップＳ２へと遷移する。閾値は、例えば約−１０℃ないし約−２０℃の間の値とする。ステップＳ１にて、潤滑油温に代えて、冷却水温センサを介してセンシングしている内燃機関１の冷却水温を閾値と比較してもよい。あるいは、内燃機関１及びモータジェネレータ２、４の運転を停止して所定以上の長時間駐車した後の冷間始動にあっては、潤滑油温に代えて、気温センサを介してセンシングしている外気温を閾値と比較してもよい。

ステップＳ２では、気筒に燃料を供給することなく、発電用モータジェネレータ２により内燃機関１のクランクシャフトを回転させ続け、かつその回転速度を所定の上限速度近傍に維持し、またはそれ以下の速度に抑制する。上限速度は、例えば、エンジン回転数に換算して、内燃機関１の共振点である約６００ｒｐｍから内燃機関１の始動完了直後のアイドル回転数の極大値である約１６００ｒｐｍまでの範囲内の値に設定する。本実施形態では、上限速度として、１０００ｒｐｍを想定している。

ステップＳ３では、例えば、下記の何れかの条件が成立したことを以て、内燃機関１の各所に必要最小限の潤滑油が供給され、その潤滑に支障がなくなったと判断する。
（ｉ）始動のためのモータリングを開始してからある程度以上の時間（例えば、約１５秒）が経過した
（ii）始動のためのモータリングを開始してから経過した時間の長さが、潤滑油温及び／または冷却水温に応じて設定する閾値を上回った。閾値は、潤滑油温が低いほど大きな値とし、及び／または、冷却水温が低いほど大きな値とする
（iii）潤滑油圧センサを介してセンシングしている潤滑油圧が所定の閾値以上に高まった
（iv）内燃機関１に付帯する、潤滑油圧を用いて操作する可変バルブタイミング（ＶａｒｉａｂｌｅＶａｌｖｅＴｉｍｉｎｇ）機構を適正に操作できるようになった。ＶＶＴ機構は、例えば、気筒の吸気バルブまたは排気バルブを駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を潤滑油圧によって変化させるベーン式の周知のものである。ＶＶＴ機構を適正に操作できることは、クランク角センサの出力信号及びカム角センサの出力信号を参照することで確認できる
上記の何れかの条件が成立した、即ちモータリングを開始してから内燃機関１の潤滑に支障がなくなると考えられる期間が経過したと判断したＥＣＵ０は、その後、内燃機関１のクランクシャフトの回転速度に対する制限を解除し、気筒への燃料の供給及び着火燃焼を開始する（ステップＳ４）。これにより、モータリングを終了して内燃機関１の始動を完遂できる。

内燃機関１の始動の際、潤滑油温が閾値よりも高いならば、既述の通り、モータリング期間が短い通常の始動制御を行う（ステップＳ５）ことは言うまでもない。

図３に、本実施形態のＥＣＵ０による内燃機関１の始動制御の模様を示している。図３の上段は始動時の潤滑油温が閾値よりも高い状況下での通常の制御、下段は始動時の潤滑油温が閾値以下の低温である状況下での制御である。実線は内燃機関１の回転速度を表しており、破線は内燃機関１の潤滑油圧を表している。ｔ₀は内燃機関１の始動のためのモータリングを開始した時点、ｔ₁は通常の制御においてモータリングを終了する時点、ｔ₂は潤滑油温が低温である状況下の制御においてモータリングを終了する時点である。また、ｔ₃は通常の制御において内燃機関１が高回転化する時点、ｔ₄は潤滑油温が低温である状況下の制御において内燃機関１が高回転化する時点である。

電動機として作動する発電用モータジェネレータ２の高出力により、通常の制御では、時点ｔ₀から時点ｔ₁までのモータリング期間が短く、内燃機関１が高回転化する時点ｔ₃も早く訪れる。だが、内燃機関１の潤滑油の粘性が低く、潤滑油ポンプが吐出する潤滑油圧の上昇も早いため、時点ｔ₃の頃には既に潤滑油圧が内燃機関１の各部の潤滑のために最低限必要な油圧Ｐを超えており、問題は起こらない。

潤滑油温が低温である状況下の制御では、時点ｔ₀から時点ｔ₂までのモータリング期間が通常の制御よりも長く、しかもその間は気筒への燃料供給を行わずにモータリングを続行する。また、このときの内燃機関１の回転速度はその上限速度である１０００ｒｐｍ近傍に維持される。この回転速度は、従来型のスタータモータによる内燃機関のモータリングの回転数よりも高く、通常の制御におけるモータリングの終了時点ｔ１での回転速度（約５００ｒｐｍ）よりも高い。これは、機械式の潤滑油ポンプにより粘性の高い潤滑油を内燃機関１の各所に送り込むのに適した回転速度である。潤滑油ポンプが吐出する潤滑油圧の上昇は通常よりも遅いが、モータリングを延長した分、内燃機関１が高回転化する時点ｔ₄も遅くなる。そして、時点ｔ₄の頃には既に潤滑油圧が内燃機関１の各部の潤滑のために最低限必要な油圧Ｐを超えており、問題は起こらない。

内燃機関１の保護のため、ステップＳ１ないしＳ４の制御は、現在蓄電装置３に蓄えている電荷の量が少なかったとしても（例えば、ＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）が３０％以下であったとしても）実行する。

本実施形態では、停止した内燃機関１を始動するに際し、潤滑油ポンプにより圧送され内燃機関１の各所を潤滑する潤滑油の温度が所定以下の低温である場合には、始動のために内燃機関１の回転軸を電動機２により回転駆動するモータリングにおいて内燃機関１の回転速度を所定の上限速度以下に制限し、かつ内燃機関１の潤滑に支障がなくなると考えられる期間が経過するまで、気筒１に燃料を供給せずにそのモータリングを続行する内燃機関１の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、低温環境下での内燃機関の始動によりスカッフや焼き付き等の不具合が発生することを防止できる。

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。上記実施形態では、クランクシャフトに従動する機械式の潤滑油ポンプを装備した内燃機関１を想定していたが、内燃機関１とは独立して稼働し得る電動式の潤滑油ポンプを装備するものにあっても、その潤滑油ポンプの出力が顕著に高くなければ同様の問題を生じ得るので、本発明を適用してよい。

車両の態様は、ハイブリッド車両に限定されない。

その他、各部の具体的な構成や処理の内容は、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、車両等に搭載される内燃機関の冷間始動時の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…内燃機関
２…電動機（発電用モータジェネレータ）
３…蓄電装置

Claims

内燃機関を始動するに際し、潤滑油ポンプにより圧送され内燃機関の各所を潤滑する潤滑油の温度が所定以下の低温である場合には、始動のために内燃機関の回転軸を電動機により回転駆動するモータリングにおいて内燃機関の回転速度を所定の上限速度以下に制限し、かつ内燃機関の潤滑に支障がなくなると考えられる期間が経過するまで、気筒に燃料を供給せずにそのモータリングを続行する内燃機関の制御装置。