JP3577971B2

JP3577971B2 - 車両の始動制御装置

Info

Publication number: JP3577971B2
Application number: JP29510998A
Authority: JP
Inventors: 康彦北島; 浩之糸山; 欣高出口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2018-10-16
Also published as: JP2000120455A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車両に搭載した内燃機関の始動制御に関し、特にハイブリッド車両に好適な始動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
原動機として内燃機関と電動機とを併有し、いずれか一方または双方の駆動力により走行するようにしたハイブリッド車両が知られている（例えば、鉄道日本社発行「自動車工学」VOL.46 No.7 1997年6月号 39〜52頁参照）。
【０００３】
ハイブリッド車両では、基本的に比較的負荷の小さい運転域では電動機のみで走行し、負荷が増大すると内燃機関を起動して所要の駆動力を確保し、必要に応じて電動機と内燃機関を併用することにより最大の駆動力を発揮させられるようになっている。
【０００４】ところで、電動機のみによる走行状態から内燃機関を使用する運転状態へと移行するときには速やかに機関を始動させる必要があり、この機関始動に時間がかかると駆動力を滑らかに制御することができなくなり運転性が悪化してしまう。一方、始動完爆直後の機関トルクの急激な立ち上りにより振動が発生することがあり、この振動も運転性を悪化させる要因となる。
【０００５】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、内燃機関による運転開始時の出力制御特性を改善することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その基本構成として、内燃機関を始動させる電動機と、内燃機関の吸気弁作動時期を可変制御する可変動弁装置と、電動機と可変動弁装置の作動を制御する制御装置とを備え、前記制御装置を、機関始動時に電動機を駆動して内燃機関の始動クランキングを行わせると共に、可変動弁装置を駆動して吸気管負圧が所定値に達するまでの時間が最短となるような吸気弁作動時期に制御するように構成する。
【０００７】
また前記制御装置は、内燃機関への燃料の供給・停止を制御する燃料制御装置を備え、始動クランキング開始当初は燃料供給を停止し、その後吸気管負圧が所定値以上に発達したときに燃料供給を開始するように構成する。
【０００８】
第１の発明では、前記基本構成に加えて、前記制御装置を、電動機に電力を供給するバッテリの状態を検出するバッテリ状態検出装置を備え、該バッテリ状態に基づいて前記吸気弁作動時期を補正するものとする。
【０００９】
また、前記制御装置は、電動機の出力が低下するバッテリ状態のときほど吸気弁閉時期を進めるものとする。
【００１０】
第２の発明は、前記基本構成において、その制御装置を、始動クランキング時の吸気管負圧を、クランキング開始からの経過時間で推定して求めるように構成したものとする。
【００１１】
第３の発明は、前記基本構成において、始動クランキング時の吸気管負圧を該圧力センサからの出力に基づいて求めるように構成したものとする。
【００１２】
第４の発明は、前記基本構成において、その制御装置を、内燃機関のスロットル開度を運転状態に応じて制御するスロットル駆動装置を備え、始動クランキング時にはスロットル開度を略全閉とし、始動完爆後はそのときの運転状態に応じて定められた目標トルクが得られるスロットル開度へと漸進的に変化させるように構成したものとする。
【００１３】
第５の発明は、上記第４の発明のスロットル駆動装置を、アクセルペダルの操作量を検出するアクセルペダルセンサと、スロットルバルブを駆動するアクチュエータと、アクセルペダルセンサからの操作量信号に基づいて前記アクチュエータを駆動する制御装置とを備えるものとする。
【００１４】
【作用・効果】
上記第１の発明以下の各発明によれば、始動時間を十分に短くして速やかに機関出力を立ち上げることができる。これは以下のような理由による。すなわち、内燃機関の始動性と吸気管負圧との間には相関があり、吸気管負圧がある程度発達した時点で初めて始動完爆がなされる。この始動完爆がなされる吸気管負圧（以下「始動完爆負圧」という。）は機関の仕様ないし特性によって異なり、例えば気筒数、排気量、圧縮比、吸気管形状等の影響を受けるが、換言するならば機関を特定すればその機関の始動完爆負圧はほぼ一定と考えることができる。したがって、ある機関の始動に要する時間を短縮するためには、始動クランキング（ハイブリッド車両では「モータリング」ともいう。）時に吸気管負圧がその機関について前記始動完爆負圧値に達するまでの時間をできるだけ短くしてやればよい。一方、吸気管負圧が前記始動完爆負圧値まで発達するのに要する時間も、機関個々の仕様ないし特性に依存するが、その一要因として図３に示したように吸気弁の閉時期があり、ある特定の時期より早くても遅くても前記負圧への到達時間は長くなる。そこで、その機関に応じて最短の負圧到達時間となるような吸気弁閉時期を予め求めておき、始動クランキング時には当該吸気弁閉時期に制御するのである。これにより、吸気弁閉時期を制御しなかった場合に比較して、内燃機関の始動完爆に要する時間を確実に短縮することができる。
【００１５】
さらに本発明では、始動クランキング開始当初は燃料供給を停止し、その後吸気管負圧が例えば上記始動完爆負圧値付近の所定値以上に発達したときに燃料供給が開始される。このようにすると、始動完爆が可能となった時点で初めて燃焼が可能となるので、吸気管負圧が十分に発達しない状態での完爆に寄与しない燃焼による振動の発生を回避して静粛な機関始動が可能になると共に燃料消費を抑制することができる。
【００１６】
なお、吸気管負圧が始動完爆負圧値にまで達したか否かについては、第２の発明のように始動クランキング開始からの経過時間で推定し、または第３の発明のように吸気管圧力を圧力センサにより直接検出することにより判定することができる。
【００１７】
ところで、始動クランキング時に吸気管負圧が始動完爆負圧値に達するまでの時間を最短とする吸気弁閉時期は電動機の能力にも依存し、電動機に電力を供給するバッテリ状態によって最適時期が異なる場合がある。図４に示したように、通常は電動機の出力が低下するようなバッテリ状態のときには吸気管負圧が始動完爆負圧値に最短時間で達する吸気弁閉時期は、電動機出力が比較的十分なときに比べて進み側になる。したがって、本発明のように、バッテリ状態に応じて吸気弁作動時期を補正することにより、バッテリの状態にかかわらず最短の時間で内燃機関の始動を完了させることができる。
【００１８】
第４の発明では、内燃機関のスロットル開度を運転状態に応じて制御するスロットル駆動装置により、始動クランキング時にはスロットル開度を略全閉とし、始動完爆後はそのときの運転状態に応じて定められた目標トルクが得られるスロットル開度へと漸進的に変化させる。このように構成することにより、始動完爆時の機関トルクとそのときの目標トルクとの間に差があるときに、このトルク差を徐々に補償して、トルクショックおよび振動のない滑らかな運転性を確保することができる。なお、このようなスロットル制御を行うためのスロットル駆動装置としては、第５の発明に示したように、アクセルペダルの操作量を検出するアクセルペダルセンサと、スロットルバルブを駆動するアクチュエータと、アクセルペダルセンサからの操作量信号に基づいて前記アクチュエータを駆動する制御装置から構成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明をハイブリッド車両に適用した実施形態につき図面に基づいて説明する。まず図１〜図２にハイブリッド車両の構成例を示す。これらはいずれも走行条件に応じてエンジン（内燃機関）または電動モータの何れか一方または双方の動力を用いて走行するパラレル方式のハイブリッド車両である。
【００２０】
図１において、太い実線は機械力の伝達経路を示し、太い破線は電力線を示す。また、細い実線は制御線を示し、二重線は油圧系統を示す。この車両のパワートレインは、モータ１（本発明の電動機）、エンジン２、クラッチ３、モータ４、無段変速機５、減速装置６、差動装置７および駆動輪８から構成される。モータ１の出力軸、エンジン２の出力軸およびクラッチ３の入力軸は互いに連結されており、また、クラッチ３の出力軸、モータ４の出力軸および無段変速機５の入力軸は互いに連結されている。
【００２１】
クラッチ３締結時はエンジン２とモータ４が車両の推進源となり、クラッチ３解放時はモータ４のみが車両の推進源となる。エンジン２またはモータ４の駆動力は、無段変速機５、減速装置６および差動装置７を介して駆動輪８へ伝達される。無段変速機５には油圧装置９から圧油が供給され、ベルトのクランプと潤滑がなされる。油圧装置９のオイルポンプ（図示せず）はモータ１０により駆動される。
【００２２】
モータ１は主としてエンジン始動と発電に用いられ、モータ４は主として車両の推進（力行）と制動に用いられる。また、モータ１０は油圧装置９のオイルポンプ駆動用である。また、クラッチ３締結時に、モータ１を車両の推進と制動に用いることもでき、モータ４をエンジン始動や発電に用いることもできる。クラッチ３はパウダークラッチであり、伝達トルクを調節することができる。無段変速機５はベルト式やトロイダル式などの無段変速機であり、変速比を無段階に調節することができる。
【００２３】
モータ１，４，１０はそれぞれ、インバータ１１，１２，１３により駆動される。なお、モータ１，４，１０に直流電動モータを用いる場合には、インバータの代わりにＤＣ／ＤＣコンバータを用いる。インバータ１１〜１３は共通のＤＣリンク１４を介してメインバッテリ１５に接続されており、メインバッテリ１５の直流充電電力を交流電力に変換してモータ１，４，１０へ供給するとともに、モータ１，４の交流発電電力を直流電力に変換してメインバッテリ１５を充電する。なお、インバータ１１〜１３は互いにＤＣリンク１４を介して接続されているので、回生運転中のモータにより発電された電力をメインバッテリ１５を介さずに直接、力行運転中のモータへ供給することができる。メインバッテリ１５には、リチウム・イオン電池、ニッケル・水素電池、鉛電池などの各種電池や、電機二重層キャパシターいわゆるパワーキャパシターが適用される。
【００２４】
１６は本発明の制御装置の機能を備えたコントローラであり、マイクロコンピュータとその周辺部品や各種アクチュエータなどを備え、クラッチ３の伝達トルク、モータ１，４，１０の回転数や出力トルク、無段変速機５の変速比、エンジン２の燃料噴射量・噴射時期、点火時期などを制御する。
【００２５】
コントローラ１６には、図２に示すように、キースイッチ２０、セレクトレバースイッチ２１、アクセルペダルセンサ２２、ブレーキスイッチ２３、車速センサ２４、バッテリ温度センサ２５、バッテリＳＯＣ検出装置２６、エンジン回転数センサ２７、スロットル開度センサ２８が接続される。キースイッチ２０は、車両のキーが０Ｎ位置またはＳＴＡＲＴ位置に設定されると閉路する（以下、スイッチの閉路をオンまたは０Ｎ、開路をオフまたはＯＦＦと呼ぷ）。セレクトレバースイッチ２１は、パーキングＰ、ニュートラルＮ、リバースＲおよびドライブＤの何れかのレンジに切り換えるセレクトレバー（図示せず）の設定位置に応じて、Ｐ，Ｎ，Ｒ，Ｄのいずれかのスイッチがオンする。
【００２６】
アクセルペダルセンサ２２はアクセルペダルの踏み込み量を検出し、ブレーキスイッチ２３はブレーキペダルの踏み込み状態（この時、スイッチオン）を検出する。車速センサ２４は車両の走行速度を検出し、バッテリ温度センサ２５はメインバッテリ１５の温度を検出する。また、バッテリＳＯＣ検出装置２６は本発明のバッテリ状態検出装置にあたるもので、メインバッテリ１５の実容量の代表値であるＳＯＣ（State Of Charge）を検出する。さらに、エンジン回転数センサ２７はエンジン２の回転数を検出し、スロットル開度センサ２８はエンジン２のスロットルバルブ開度を検出する。
【００２７】
コントローラ１６にはまた、エンジン２の燃料噴射装置３０、点火装置３１、可変動弁装置（バルブタイミング調節装置）３２などが接続される。コントローラ１６は、燃料噴射装置３０を制御してエンジン２への燃料の供給と停止および燃料噴射量・噴射時期を調節するとともに、点火装置３１を駆動してエンジン２の点火時期制御を行う。また、コントローラ１６は可変動弁装置３２を制御してエンジン２の吸・排気弁の作動状態を調節する。なお、コントローラ１６には低圧の補助バッテリ３３から電源が供給される。
【００２８】
以上は本発明が適用可能なハイブリッド車両の基本的な構成例を示したものであり、本発明では例えばこうしたハイブリッド車両においてエンジン始動時に吸気弁作動時期を適切に制御することにより始動性を改善することを主たる目的としている。以下にこのためのコントローラ１６の機能構成および制御内容の実施形態につき図５以下の各図面を参照しながら説明する。図５は吸気弁作動時期を制御するための可変動弁装置の機械的構成例、図６はこのような可変動弁装置を用いてエンジン始動を行うときのコントローラの制御動作例を示す流れ図、図７は前記始動制御によるモータトルク変化等を示す特性線図である。
【００２９】
まず図５について説明すると、これはエンジンの吸気カム５１の作動角（開弁期間および閉弁時期）を変更可能に構成したカム作動角可変機構により可変動弁装置を構成したもので、例えば特開平９−２４２５２０号公報や特開平９−２６８９３０号公報等に開示されたものと同様に、コントローラ１６に制御されたソレノイドバルブ４１からの油圧に基づいて、偏心軸５３を軸回りに駆動するアクチュエータ５２と、ハウジング５４を介してこの偏心軸５３に連結された吸気カム５１から構成され、回転する吸気カム５１に対して偏心軸５３を軸回りに揺動させることで吸気カム５１の作動角を変更して吸気弁（図示せず）の開弁期間および閉弁時期を最大作動角から最小作動角の間で段階的または連続的に変更することができるようになっている。吸気カム５１の作動角は回転角センサ２９により検出され、コントローラ１６は始動時を含めてエンジン運転状態に応じて吸気弁作動時期となるようにソレノイドバルブ４１を駆動し、吸気カム５１の作動角を制御する。
【００３０】
次に、始動時の吸気弁作動時期制御等につき図６に基づいて説明する。図６はハイブリッド車両においてエンジン始動条件となったときの始動開始から完爆に至るまでの制御の流れを示したもので、この制御はコントローラ１６によるハイブリッド車両の総合的な制御の一部を構成するものとして割り込み処理等により周期的に実行される。
【００３１】
この制御では、まずエンジン始動条件が成立しているか否かを判定する（ステップ６０１）。エンジン始動条件とは例えばモータ出力のみで走行中に発電や駆動力の要求に基づいてエンジンの出力が必要となったときであり、予め定めた所定の運転条件パラメータに基づいて判定する。この始動条件が成立したときには次に吸気管負圧を推定するためのタイマ値Ｃを初期化し、ついで上述したバッテリ状態ＳＯＣを検出する（ステップ６０２，６０３）。
【００３２】
バッテリ状態ＳＯＣは、バッテリ１５のその時点での能力に応じて最適なモータ１のトルク制御特性を決定すると共に、当該モータ出力に応じて吸気管負圧が始動完爆負圧に最短時間で達する吸気弁閉時期を設定するために検出する（ステップ６０４）。モータ出力とバッテリ状態ＳＯＣとは相関があるので、前記吸気弁閉時期の設定値は図４に示したような実験結果に基づいて予めテーブルを作成しておき、これを検索することで求めることができる。
【００３３】
次に、このようにして設定した吸気弁閉時期となるように可変動弁装置（図５）を制御するとともに、設定トルクとなるようにモータ１を駆動してエンジンの始動クランキングを開始する（ステップ６０５）。この時点ではまだ燃料供給および点火は行わず、タイマ値Ｃが予め定めた所定基準値Ｃｏに達するまでクランキングのみを継続する（ステップ６０６，６０７）。前記基準値Ｃｏは吸気管負圧が始動完爆負圧に達するのに必要と推定される時間として設定するもので、これはエンジン仕様に応じた固定値としてもよいが、図４に示したようにモータ出力が低下すると若干長くなる傾向があるので、モータ出力ないしバッテリ状態ＳＯＣの関数として設定するのがより望ましい。また、このように始動完爆負圧を始動開始からの経過時間で推定するのではなく、既述したように吸気管負圧を圧力センサにより直接検出することで始動完爆負圧の判定を行うようにしてもよい。
【００３４】
上述の処理により始動完爆負圧に達したと判定したときに、初めて燃料供給と点火とを開始し（ステップ６０８）、その後エンジン１が始動完爆状態となるまで上記ステップ６０５以下の処理を繰り返す（ステップ６０９）。始動完爆の判定は、例えばエンジン回転数が予め定めた基準値以上となったことから判定する。
【００３５】
始動完爆した後はこの制御を終了し、図示しない始動後の処理に移行する。始動後の制御としては、例えば図７に示したようにスロットル開度ＴＶＯを始動クランキング時には略全閉としておき、その後その時点で必要なトルクが得られるように制御するスロットル開度制御がある。この場合、始動直後のエンジントルクとその時点での要求トルクとのあいだに差があるときに当該トルク差を徐々に補償するようにスロットル開度を制御することでより滑らかな運転性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能なハイブリッド車両の構成例を示す第１の概略構成図。
【図２】本発明が適用可能なハイブリッド車両の構成例を示す第２の概略構成図。
【図３】内燃機関の吸気管負圧が所定空気圧に達するまでの時間と吸気弁閉時期との関係を示す特性線図。
【図４】図３に示した関係に対する始動モータの出力の影響を示す特性線図。
【図５】可変動弁装置の一実施形態の概略構成図。
【図６】本発明による制御の一実施形態を示す流れ図。
【図７】上記実施形態による制御時の始動モータトルク、スロットル開度（ＴＶＯ）、吸気管負圧、燃料供給量、始動モータ回転数の変化状態を示す特性線図。
【符号の説明】
１モータ（電動機）
２エンジン（内燃機関）
３クラッチ
４モータ
５無段変速機
９油圧装置
１０油圧発生用モータ
１５バッテリ
１６コントローラ
２０キースイッチ
２１セレクトレバースイッチ
２２アクセルペダルセンサ
２３ブレーキスイッチ
２４車速センサ
２５バッテリ温度センサ
２６バッテリＳＯＣ検出装置
２７エンジン回転数センサ
２８スロットル開度センサ
３５水温センサ
４１圧力センサ

Claims

内燃機関を始動させる電動機と、
内燃機関の吸気弁作動時期を可変制御する可変動弁装置と、
電動機と可変動弁装置の作動を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置を、
機関始動時に電動機を駆動して内燃機関の始動クランキングを行わせると共に、可変動弁装置を駆動して吸気管負圧が所定値に達するまでの時間が最短となるような吸気弁作動時期に制御すると共に、
内燃機関への燃料の供給・停止を制御する燃料制御装置を備え、始動クランキング開始当初は燃料供給を停止し、その後吸気管負圧が所定値以上に発達したときに燃料供給を開始し、
前記電動機に電力を供給するバッテリの状態を検出するバッテリ状態検出装置を備え、該バッテリ状態に基づいて前記吸気弁作動時期を補正し、
かつ電動機の出力が低下するバッテリ状態のときほど吸気弁閉時期を進めるように構成したことを特徴とする車両の始動制御装置。
内燃機関を始動させる電動機と、
内燃機関の吸気弁作動時期を可変制御する可変動弁装置と、
電動機と可変動弁装置の作動を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置を、
機関始動時に電動機を駆動して内燃機関の始動クランキングを行わせると共に、可変動弁装置を駆動して吸気管負圧が所定値に達するまでの時間が最短となるような吸気弁作動時期に制御すると共に、
内燃機関への燃料の供給・停止を制御する燃料制御装置を備え、始動クランキング開始当初は燃料供給を停止し、その後吸気管負圧が所定値以上に発達したときに燃料供給を開始するように構成し、
前記始動クランキング時の吸気管負圧は、クランキング開始からの経過時間で推定して求めるように構成したことを特徴とする車両の始動制御装置。
内燃機関を始動させる電動機と、
内燃機関の吸気弁作動時期を可変制御する可変動弁装置と、
電動機と可変動弁装置の作動を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置を、
機関始動時に電動機を駆動して内燃機関の始動クランキングを行わせると共に、可変動弁装置を駆動して吸気管負圧が所定値に達するまでの時間が最短となるような吸気弁作動時期に制御すると共に、
内燃機関への燃料の供給・停止を制御する燃料制御装置を備え、始動クランキング開始当初は燃料供給を停止し、その後吸気管負圧が所定値以上に発達したときに燃料供給を開始するように構成し、
前記始動クランキング時の吸気管負圧を、吸気管負圧を検出する圧力センサからの出力に基づいて求めるように構成したことを特徴とする車両の始動制御装置。
内燃機関を始動させる電動機と、内燃機関の吸気弁作動時期を可変制御する可変動弁装置と、
電動機と可変動弁装置の作動を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置を、
機関始動時に電動機を駆動して内燃機関の始動クランキングを行わせると共に、可変動弁装置を駆動して吸気管負圧が所定値に達するまでの時間が最短となるような吸気弁作動時期に制御すると共に、
内燃機関への燃料の供給・停止を制御する燃料制御装置を備え、始動クランキング開始当初は燃料供給を停止し、その後吸気管負圧が所定値以上に発達したときに燃料供給を開始するように構成し、
かつ前記制御装置は、内燃機関のスロットル開度を運転状態に応じて制御するスロットル駆動装置を備え、始動クランキング時にはスロットル開度を略全閉とし、始動完爆後はそのときの運転状態に応じて定められた目標トルクが得られるスロットル開度へと漸進的に変化させるように構成したことを特徴とする車両の始動制御装置。
スロットル駆動装置は、アクセルペダルの操作量を検出するアクセルペダルセンサと、スロットルバルブを駆動するアクチュエータと、アクセルペダルセンサからの操作量信号に基づいて前記アクチュエータを駆動する制御装置とを備える請求項４に記載の車両の始動制御装置。