JP3888250B2 - 圧縮自着火エンジンを搭載したハイブリッド車両 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、動力源として内燃機関と電動機とを備えるハイブリッド車両において、該内燃機関を適切に始動する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関は、比較的小型でありながら大きな動力を発生させることができるという優れた特性を有しており、種々の方式の内燃機関が使用されている。これら内燃機関はいずれも、燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させ、このときに発生する圧力を、機械的仕事に変換して出力することを動作原理としている。
【０００３】
また、燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる方式の内燃機関は、排気ガスとともに大気に排出される大気汚染物質の排出量や、燃料消費量が少ないという優れた特性も備えている。
【０００４】
もっとも、こうした圧縮自着火方式の内燃機関も、全ての運転条件で混合気を圧縮自着火させながら運転することは困難であり、負荷の高い運転条件や負荷の極めて低い運転条件では、通常の内燃機関のように、燃焼室内で火花を飛ばして混合気に点火しながら運転している。これは、混合気を圧縮自着火させる関係上、内燃機関の負荷が高くなるとノックが発生し易くなり、また、負荷が極めて低くなると混合気を圧縮自着火させることが困難になるためである。尚、以下では、混合気に火花を飛ばして点火しながら運転することを「火花点火運転」と呼び、混合気を圧縮自着火しながら運転することを「圧縮自着火運転」とも呼ぶこととする。このことから、圧縮自着火方式の内燃機関においては、低負荷域から中負荷域の範囲では圧縮自着火運転を行い、高負荷域あるいは極低負荷域では火花点火運転に切り換えて運転する技術が種々提案されている（例えば、特開２００１−３８００号、特開２００１−２５４６６０号など）。
【０００５】
内燃機関の始動時は極低負荷条件に相当しているので、これらの技術においては、火花点火運転しながら内燃機関を始動することになる。火花点火運転する場合は、圧縮自着火運転する場合に比べて大気汚染物質の排出量や燃料消費量が多くなるが、内燃機関の始動は頻繁に行われることはないので、このことによる影響は極めて限定的であり、実際上はほとんど問題となることはない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、圧縮自着火方式の内燃機関をハイブリッド車両の搭載した場合は、内燃機関の始動時に火花点火運転されることによる弊害が相対的に大きくなる。これは、ハイブリッド車両では、車両の走行状態に合わせて車両の走行中もエンジンの始動と停止とが繰り返されるので、始動の頻度が高いためである。このことから、圧縮自着火方式の内燃機関をハイブリッド車両の搭載する場合には、内燃機関をできるだけ適切に始動させる技術の開発が要請されることになる。
【０００７】
この発明は、従来技術における上述した課題を解決するためになされたものであり、圧縮自着火方式の内燃機関を搭載したハイブリッド車両において、該内燃機関をできるだけ適切に始動する技術の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明のハイブリッド車両は次の構成を採用した。すなわち、
動力源として内燃機関と電動機とを搭載したハイブリッド車両であって、
前記ハイブリッド車両の運転条件を検出し、前記内燃機関および前記電動機がそれぞれに分担する動力を、該検出した運転条件に基づき決定することによって該ハイブリッド車両の運転状態を制御する車両制御手段と、
前記内燃機関が分担すべき動力に応じて該内燃機関を制御する内燃機関制御手段と、
前記電動機が分担すべき動力に応じて該前記電動機を制御する電動機制御手段と
を備え、
前記内燃機関制御手段は、
前記内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記検出した回転速度と前記内燃機関が分担すべき動力とに基づいて、該内燃機関の運転条件を決定する運転条件決定手段と、
燃焼室内で火花を飛ばして混合気を燃焼させることにより前記内燃機関を火花点火運転するべき運転条件と、該燃焼室内で混合気を圧縮自着火させることにより該内燃機関を圧縮自着火運転するべき運転条件とを記憶しておく運転条件記憶手段と
を備えるとともに、
前記決定した運転条件に応じて、前記火花点火運転あるいは前記圧縮自着火運転のいずれかの運転方法を用いて前記内燃機関を制御する手段であり、
前記車両制御手段は、前記決定した動力の分担に基づいて、前記内燃機関の始動の要否を判断する始動要否判断手段を備え、
前記電動機制御手段は、前記内燃機関の始動を要すると判断された場合に、前記内燃機関の運転条件が前記圧縮自着火運転すべき運転条件となるように、前記電動機を駆動して該内燃機関の回転速度を上昇させる機関回転速度上昇手段を備えていることを要旨とする。
【０００９】
かかるハイブリッド車両は、車両の運転条件に応じて、内燃機関および電動機がそれぞれ分担する動力を決定し、かかる決定に基づいて該内燃機関と該電動機とを制御する。ここで、内燃機関は、燃焼室内で火花を飛ばして混合気を燃焼させながら運転する火花点火運転と、該燃焼室内で混合気を圧縮自着火させながら運転する圧縮自着火運転とのいずれかの方法によって運転される内燃機関であり、次のようにして制御される。先ず、内燃機関の回転速度を検出し、検出した回転速度と分担すべき動力とに基づいて、該内燃機関の運転条件を決定する。該内燃機関には、前記圧縮自着火運転を行うべき運転条件と、前記火花点火運転を行うべき運転条件とが予め記憶されており、決定された運転条件に応じて、いずれか適切な運転方法を用いて制御される。ハイブリッド車両の運転条件に応じて内燃機関と電動機とが分担する動力を決定した結果、該内燃機関の始動を要すると判断された場合には、前記電動機を駆動することによって、該内燃機関を前記圧縮自着火運転すべき運転条件となるように該内燃機関の回転速度を上昇させる。こうすれば、内燃機関を圧縮自着火運転しながら始動させることができるので、内燃機関を頻繁に始動する必要があるハイブリッド車両においても、内燃機関を適切に始動することが可能となる。
【００１０】
こうしたハイブリッド車両においては、内燃機関の運転状態を検出し、該内燃機関の始動に際しては、検出した運転状態が前記圧縮自着火運転に適するか否かを判断することとしてもよい。そして、圧縮自着火運転に適しない運転状態と判断された場合には、該内燃機関の回転速度を、前記火花点火運転すべき運転条件の範囲に抑制した状態で、該内燃機関を始動させる。ここで、内燃機関の運転状態としては、例えば、冷却水の温度や、潤滑油の温度、吸入空気の温度などを用いることができる。このようにして内燃機関を始動させれば、該内燃機関の運転状態が圧縮自着火運転に適していない場合には、火花点火運転をしながら始動させることが可能となるので好ましい。
【００１１】
こうした内燃機関に、吸気弁および排気弁の開閉時期を制御する開閉時期可変機構が設けられている場合には、前記火花点火運転しながら始動させる場合と、前記圧縮自着火運転しながら始動させる場合とで、該開閉時期の設定を切り換えることとしても良い。あるいは、内燃機関に、吸入空気量を制御する吸気量可変機構が設けられている場合には、前記火花点火運転しながら始動させる場合と、前記圧縮自着火運転しながら始動させる場合とで、該吸入空気量の設定を切り換えることとしても良い。内燃機関を火花点火運転する場合と圧縮自着火運転する場合とでは、吸気弁および排気弁の開閉時期、あるいは吸入空気量の最適な設定値は異なっているから、これらのいずれかを切り換えてやれば、より適切に内燃機関を始動することが可能となるので好適である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の作用・効果をより明確に説明するために、次のような順序に従って、本発明の実施例を説明する。
Ａ．装置構成：
Ａ−１．ハイブリッド車両の構成：
Ａ−２．ハイブリッド車両の動作の概要：
Ａ−３．エンジンの概要：
Ｂ．エンジンの始動制御：
【００１３】
Ａ．装置構成：
Ａ−１．ハイブリッド車両の構成：
図１は、本実施例のハイブリッド車両１００の概略構成を示す説明図である。図示するように、このハイブリッド車両１００は、エンジン１１０と、モータ・ジェネレータ（ＭＧ１）１２０と、モータ・ジェネレータ（ＭＧ２）１３０とを有し、エンジン１１０と２つのモータ・ジェネレータＭＧ１，ＭＧ２とはプラネタリギア１４０で互いに結合されている。詳細には後述するが、エンジン１１０およびＭＧ２は、主に車両を駆動するための駆動力を出力し、ＭＧ１は主にエンジン１１０によって駆動されて主として発電機として機能する。プラネタリギア１４０は、ＭＧ２からの出力を、チェーンベルト１７４と車軸１７０とを介して駆動輪１７２に伝達する役割や、エンジン１１０からの出力を、ＭＧ１と駆動輪１７２とに振り分ける動力分割機構としての役割、更には、ＭＧ２やエンジン１１０の回転速度を減速あるいは増速して駆動輪１７２に伝達する変速機としての役割を有している。プラネタリギア１４０の機能については後述する。
【００１４】
エンジン１１０は、４つの燃焼室を備えており、各燃焼室内で空気と燃料との混合気を燃焼させることによって動力を発生させる。各燃焼室には吸気通路１９０が接続されており、吸気通路１９０の上流にはエアクリーナ１９６が設けられている。空気は、エアクリーナ１９６で異物が取り除かれた後、吸気通路１９０を介して燃焼室内に供給される。吸気通路１９０には、燃焼室内に流入する空気量を調整するためのスロットルバルブ１８６が設けられており、スロットルバルブ１８６は電動アクチュエータ１８８によって駆動されている。また、各燃焼室には燃料を噴射するための燃料噴射弁１９２も設けられている。燃焼室内で混合気が燃焼したときに発生する排気ガスは、排気通路１８０から排出される。排気通路１８０には浄化触媒２００が設けられており、排気ガス中に含まれる有害物質を浄化触媒２００で浄化することが可能である。
【００１５】
本実施例のエンジン１１０は、燃焼室内で火花を飛ばすことによって混合気を燃焼させる場合と、燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる場合とがあり、運転条件に応じて、これら燃焼方式を切り換えながら運転される。エンジン１１０の構造および制御の概要については後述する。
【００１６】
エンジン１１０には、エンジン制御用の電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵ）１１２が搭載されている。エンジンＥＣＵ１１２は、ＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、タイマなどがバスを介して相互にデータをやり取り可能に接続された周知のマイクロコンピュータである。クランクシャフト１１４の先端にはクランク角度センサ１１８が設けられており、エンジンＥＣＵ１１２は、クランク角度センサ１１８の出力に基づいて、クランクシャフト１１４の回転位置（クランク角度）に関する情報を取得する。そして、エンジンＥＣＵ１１２は、後述するハイブリッドＥＣＵ１６０の制御の下で、電動アクチュエータ１８８や燃料噴射弁１９２などをクランクシャフト１１４の回転に同期させながら適切なタイミングで駆動することによって、エンジン１１０の動作状態を制御する。また、エンジンＥＣＵ１１２は、エンジン１１０に搭載された水温センサ１８２の出力に基づいてエンジン水温を検出することも可能となっている。
【００１７】
プラネタリギア１４０は、中心部に設けられたサンギア１４２と、サンギア１４２の外側に同心円状に設けられたリングギア１４８と、サンギア１４２とリングギア１４８との間に配置されてサンギア１４２の外周を自転しながら公転する複数のプラネタリピニオンギア１４４と、エンジンのクランクシャフト１１４の端部に結合されて各プラネタリピニオンギア１４４の回転軸を軸支するプラネタリキャリア１４６とから構成されている。サンギア１４２は、サンギア軸１４１を介してＭＧ１のロータ１２３に結合され、リングギア１４８は、リングギア軸１４７を介してＭＧ２のロータ１３３に結合されている。プラネタリキャリア１４６は、エンジンのクランクシャフト１１４に結合されている。
【００１８】
このような構成のプラネタリギア１４０は、サンギア軸１４１、リングギア軸１４７、クランクシャフト１１４の３軸が動力の入出力軸とされ、３軸の中のいずれか２軸へ入出力される動力が決定されると、残余の１軸に入出力される動力が決定される。リングギア１４８にはチェーンベルト１７４が接続されており、動力はチェーンベルト１７４および車軸１７０を介して駆動輪１７２に伝達されて、ハイブリッド車両１００を駆動する。
【００１９】
ＭＧ１は、交流同期電動機であり、外周面に複数の永久磁石１２２を有するロータ１２３と、回転磁界を形成する三相コイル１２４が巻回されたステータ１２５などから構成されている。ステータ１２５はケース１３８に固定されており、ロータ１２３は、前述したように、プラネタリギア１４０のサンギア軸１４１に結合されている。また、サンギア軸１４１には、ロータ１２３の回転角度を検出するレゾルバ１２６が設けられている。ＭＧ１は、インバータ１５２を介してモータＥＣＵ１５６に接続されている。モータＥＣＵ１５６はインバータ１５２を制御することによって、バッテリ１５０から三相コイル１２４に適切な周波数で適切な電流値の交流電流を供給し、これによってＭＧ１の動作を制御している。
【００２０】
ＭＧ２も、ＭＧ１と同様の交流同期電動機であり、外周面に複数の永久磁石１３２を有するロータ１３３と、回転磁界を形成する三相コイル１３４が巻回されたステータ１３５などから構成されている。ＭＧ２のロータ１３３はプラネタリギア１４０のリングギア軸１４７に結合され、ステータ１３５はケース１３８に固定されている。また、リングギア軸１４７にはロータ１３３の回転角度を検出するレゾルバ１３６が設けられている。ＭＧ２は、インバータ１５４を介してモータＥＣＵ１５６に接続され、モータＥＣＵ１５６は、インバータ１５４を制御することによってＭＧ２の動作を制御している。
【００２１】
ハイブリッド車両１００には、エンジンＥＣＵ１１２およびモータＥＣＵ１５６に加えて、車両全体の制御を司るハイブリッドＥＣＵ１６０が搭載されている。これらＥＣＵは、前述したエンジンＥＣＵ１１２と同様の構成を有するマイクロコンピュータである。ハイブリッドＥＣＵ１６０は、アクセルポジションセンサ１６２や、ブレーキスイッチ１６４、あるいはバッテリ１５０などの種々の情報を検出して車両全体としての運転条件を決定し、これに基づいてエンジンＥＣＵ１１２およびモータＥＣＵ１５６が、それぞれエンジン１１０およびＭＧ１，ＭＧ２の動作を制御している。
【００２２】
Ｂ−２．ハイブリッド車両の動作の概要：
以上のような構成を有するハイブリッド車両１００の動作原理、特にプラネタリギア１４０の機能について説明する。プラネタリギア１４０は、サンギア軸１４１，リングギア軸１４７，クランクシャフト１１４の３軸の中のいずれか２軸へ入出力される動力（すなわち、回転速度およびトルク）が決定されると、残余の１軸に入出力される動力（回転速度およびトルク）が決定される構造となっている。これら３軸間に入出力される回転速度およびトルクの関係は、共線図を用いて容易に求めることができる。
【００２３】
図２は、プラネタリギア１４０の３軸に接続された各ギアの回転速度および回転方向の関係を示す共線図である。ここで、縦軸は各ギア（サンギア１４２，リングギア１４８，プラネタリキャリア１４６）の回転速度、すなわち、エンジン１１０，ＭＧ２，ＭＧ１の回転速度を表している。一方、横軸は各ギアのギア比を表している。リングギア１４８の歯数に対するサンギア１４２の歯数をρとすると、プラネタリキャリア１４６に対応する縦軸は、サンギア１４２とリングギア１４８との間を１：ρに内分する座標位置にくる。
【００２４】
今、プラネタリキャリア１４６すなわちエンジン１１０の回転速度をＮe とし、リングギア１４８すなわちＭＧ２の回転速度をＮr とする。図２に示した共線図上で、プラネタリキャリアを表す座標軸Ｃに回転速度Ｎe をプロットし、リングギアを表す座標軸Ｒに回転速度Ｎr をプロットして、両プロット点を直線で結ぶ。このような直線を考えると、サンギア１４２すなわちＭＧ１の回転速度Ｎs は、得られた直線とサンギアを表す座標軸Ｓとの交点の座標として求めることができる。このような直線は動作共線と呼ばれる。このように、プラネタリキャリア１４６，リングギア１４８，サンギア１４２の中のいずれか２つの回転速度が決定されれば、共線図上に２つの座標点をプロットして両プロット点を結ぶ動作共線を考えることにより、他の１つの回転速度を求めることができる。
【００２５】
次に、プラネタリギア１４０の３軸間に入出力されるトルクの関係について説明する。共線図上でトルクの関係を求めるには、動作共線をあたかも剛体のように扱って、トルクを剛体に作用する力のように扱う。例えば、エンジン１１０がトルクＴe を発生し、駆動輪１７２からトルクＴr を出力する場合を考える。駆動輪１７２から出力するトルクは、動作共線上では座標軸Ｒ上にかかる反力トルクＴr として表れる。
【００２６】
今、座標軸Ｃの位置で動作共線に下からトルクＴe を作用させる。そして、図３に示すように、このトルクＴe が、座標軸Ｓ上と座標軸Ｒ上とに分配されて作用していると考える。ここで、座標軸Ｓ上にかかるトルクをトルクＴesとすると、トルクＴesは、
Ｔes＝Ｔｅ・ρ／（１＋ρ）
となり、また座標軸Ｒ上にかかるトルクをトルクTerとすると、トルクTerは、
Ｔer＝Ｔｅ／（１＋ρ）
として表される。
【００２７】
今、駆動輪１７２からトルクＴr を出力しようとする場合、エンジン１１０からはトルクＴerが分配されるから、不足分のトルクＴr −ＴerをＭＧ２から出力してやればよい。これを、動作共線上でトルクの釣り合いを考えることにより、次のように求めることもできる。先ず、駆動輪１７２からトルクＴr を出力する場合、動作共線上では、座標軸Ｒの位置に反力トルクＴr がかかる。そこで、座標軸Ｒ上で、エンジン１１０から分配されたトルクＴerと、反力トルクＴr と、ＭＧ２の出力トルクとを釣り合わせるために、ＭＧ２が出力すべきトルクＴm2は、Ｔm2＝Ｔr −Ｔerと求めることができる。
【００２８】
また、座標軸Ｓ上での釣り合いを考えれば、ＭＧ１が出力すべきトルクＴm1を求めることができる。すなわち、座標軸Ｓには、エンジン１１０から分配されるトルクＴesしかかかっていないから、ＭＧ１からは、これと同じ値のトルクを逆方向に出力してやればよい。
【００２９】
ここで、図２の共線図の座標軸Ｓに示されているように、ＭＧ１の回転方向とトルクＴm1の向きとは逆方向となっている。これは、ＭＧ１が発電機として動作していることを表している。また、座標軸Ｒに示されているように、ＭＧ２の回転方向とトルクＴm2の向きとは同じ向きとなっている。これは、ＭＧ２が電動機として動作していることを表している。すなわち、ＭＧ１で発電しつつ、ＭＧ２で電力を消費している状態となっている。
【００３０】
また、エンジン１１０を停止させた状態でハイブリッド車両１００を走行させる時の共線図は、図３のようになる。先ず回転速度について考えると、リングギア１４８は、車両の走行速度に応じた回転速度Ｎr で回転する。また、エンジン１１０は止まっているから、座標軸Ｃでの回転速度は０、すなわち動作共線は座標軸Ｃ上では、回転速度０の位置を通過する。こうして座標軸Ｒ上での座標と座標軸Ｃ上での座標とが決まれば動作共線が決定され、サンギアの回転速度Ｎs は、動作共線が座標軸Ｓ上を通過する座標として求めることができる。次に、ＭＧ１，ＭＧ２の出力すべきトルクについて考える。エンジン１１０はトルクを出力していないから、エンジンから座標軸Ｒおよび座標軸Ｓに分配されるトルクはない。従って、座標軸Ｒ上には、駆動輪１７２からの反力トルクＴr のみが加わることになるから、ＭＧ２の出力トルクＴm2は、Ｔr と同じ大きさで逆向きのトルク（すなわち、Ｔm2＝−Ｔr ）として求めることができる。また、座標軸Ｓ上にはトルクは加わらないから、ＭＧ１の出力トルクＴm1は０となる。
【００３１】
このように、駆動輪１７２から出力されてハイブリッド車両１００の車軸１７０に伝えられるトルク、あるいは車軸１７０の回転速度は、エンジン１１０、ＭＧ１、ＭＧ２の回転速度および出力トルクの組合せによって決定される。一般に、エンジンには、もっともエネルギ効率が良くなる運転条件が存在するから、エンジン１１０ができるだけ効率の良い運転条件で運転されるように、ＭＧ１およびＭＧ２の回転速度、出力トルクを制御してやることができる。こうすれば、エンジンのエネルギ効率を大きく向上させることができ、延いてはハイブリッド車両全体としてのエネルギ効率を大きく向上させることが可能となる。
【００３２】
また、エンジンは一般に、回転速度があまりに小さくなったり、あるいは発生トルクが小さくなって、動力の出力値があまりに小さな値となるとエネルギ効率が低下する傾向にある。従って、車軸に出力すべき動力値があまりに小さな値の場合には、エンジン１１０の運転を停止し、バッテリ１５０に蓄えた電力でＭＧ２を駆動して、いわゆる電気自動車として走行すればよい。
【００３３】
車両が減速する場合には、車軸１７０がチェーンベルト１７４を介してリングギア１４８を回転させるので、この回転を利用してＭＧ２で発電し、電力をバッテリ１５０に蓄える。このようないわゆる回生動作を行えば、減速時の車両の運動エネルギを電気エネルギとして回収することができる。車両の発進時や低速走行時などには、こうして蓄えた電力を利用することで、車両全体としての燃料消費効率を向上させることができる。
【００３４】
このように、車両の運転状態に応じてエンジン１１０やＭＧ１、ＭＧ２を適切に動作させる制御は、ハイブリッドＥＣＵ１６０が行う。以下、ハイブリッドＥＣＵ１６０が行っている運転制御について簡単に説明する。
【００３５】
図４は、運転制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。運転制御ルーチンを開始すると、ハイブリッドＥＣＵ１６０は、先ず初めに車軸１７０から出力すべき駆動エネルギＰｄを決定する処理を行う（ステップＳ１００）。駆動力Ｐｄは、アクセルポジションセンサ１６２と車軸の回転速度とに基づいて決定することができる。すなわち、アクセルペダルは、車両の運転者が出力トルクが足らないと感じたときに踏み込まれるものであるから、アクセルペダルの踏み込み量（アクセルポジションセンサ１６２の出力）は運転者の欲しているトルクに対応している。トルクに回転速度を乗算すれば単位時間あたりの駆動エネルギが得られる。従って、車軸１７０から出力すべき駆動エネルギＰｄは、アクセルポジションセンサ１６２の出力と車軸の回転速度とが決まると、適切な値を決めてやることができる。本実施例では、アクセルポジションセンサ１６２と車軸の回転速度とに対する適切な駆動エネルギＰｄの値を実験的に予め求めておき、マップの形式でハイブリッドＥＣＵ１６０に予め記憶されている。
【００３６】
次に、充放電電力Ｐｂおよび補機駆動エネルギＰｈを算出する（ステップＳ１０２）。充放電電力Ｐｂとは、バッテリ１５０の充放電に要する単位時間あたりのエネルギであり、バッテリ１５０を充電する必要がある場合には正の値、放電する必要がある場合には負の値を採る。補機駆動エネルギＰｈとは、エアコンなどの補機を駆動するために必要となる単位時間あたりのエネルギである。補機駆動エネルギＰｈは、駆動している補機を検出し、これらの駆動に要するエネルギを加算することで算出する。こうして、駆動エネルギＰｄ，充放電電力Ｐｂ，補機駆動エネルギＰｈを算出したら、これらを加算して要求動力Ｐｅを算出する（ステップＳ１０４）。ここで要求動力Ｐｅとは、エンジン１１０、ＭＧ１、ＭＧ２をひとまとまりのハイブリッド機関と見たときに、ハイブリッド機関が出力すべき動力である。
【００３７】
次に、ハイブリッドＥＣＵ１６０は、こうして算出された要求動力Ｐｅに基づいてエンジン１１０の運転条件を設定する（ステップＳ１０６）。エンジンの運転条件は、エンジンの目標回転速度Ｎｅと目標トルクＴｅとの組み合わせによって設定される。ハイブリッドＥＣＵ１６０に内蔵されたＲＡＭには、要求動力Ｐe に対して、エンジンの燃料消費効率ができるだけ高くなるような運転条件が予め記憶されており、このＲＡＭを参照することによって、エンジンの回転速度、発生トルクを設定する。
【００３８】
エンジン１１０の運転条件を設定すると、ハイブリッドＥＣＵ１６０は、続いてＭＧ１およびＭＧ２のそれぞれについて、発生トルクおよび回転速度の指令値を設定する（ステップＳ１０８）。ステップＳ１００で駆動エネルギＰd を算出する際に、車軸の回転速度は既に検出されているので、この値に基づいてリングギア軸１４７の回転速度Ｎｒを算出することができる。また、駆動エネルギＰd と回転速度Ｎｒから、リングギア軸１４７にかかるトルクＴr も求めることができる。従って、ステップＳ１０６においてエンジン１１０の回転速度Ｎｅと発生トルクＴｅとが定まれば、図２に示した動作共線に基づいて、ＭＧ１，ＭＧ２の回転速度および出力トルクを決定することができる。ステップＳ１０８では、このようにして、ＭＧ１およびＭＧ２についての回転速度および出力トルクの指令値を算出する。
【００３９】
以上のようにしてエンジン１１０の運転条件と、ＭＧ１，ＭＧ２とについての発生トルクおよび回転速度の指令値を決定したら、決定した運転条件に従ってエンジン１１０およびＭＧ１，ＭＧ２を制御する（ステップＳ１１０）。モータ・ジェネレータの制御としては、同期モータを制御するための周知の方法を適用することができる。本実施例では、いわゆる比例積分制御による制御を行う。つまり、各モータの現在のトルクを検出し、目標トルクとの偏差および目標回転数に基づいて、各相に印加する電圧指令値を設定する。印加される電圧値は上記偏差の比例項、積分項、累積項によって設定される。それぞれの項にかかる比例係数は実験などにより適切な値が設定される。こうして設定された電圧は、インバータ１５２，１５４に入力され、いわゆるＰＷＭ制御によりＭＧ１、ＭＧ２に印加される。
【００４０】
ハイブリッドＥＣＵ１６０は、以上に説明した運転制御ルーチンを定期的に実行することによって、運転者の操作に応じてハイブリッド車両を適切に運転することが可能となっている。
【００４１】
Ａ−３．エンジンの概要：
次に、本実施例のハイブリッド車両１００に搭載されているエンジン１１０の概要について説明する。図５は、エンジン１１０の燃焼室の断面を取って、エンジンの構造を概念的に示した説明図である。図示するように、エンジン１１０は、シリンダブロック２４０の上部にシリンダヘッド２３０が組み付けられて構成されている。シリンダブロック２４０の内部には、円筒形のシリンダ２４２が設けられており、このシリンダ２４２の内部にはピストン２４４が摺動可能に設けられている。シリンダ２４２とピストン２４４とシリンダヘッド２３０の下面とで囲まれた空間が燃焼室となる。
【００４２】
ピストン２４４は、コネクティングロッド２４６を介してクランクシャフト１１４に接続されており、ピストン２４４はクランクシャフト１１４の回転にともなってシリンダ２４２内を上下に摺動する。
【００４３】
シリンダヘッド２３０には、燃焼室に吸入空気を取り入れるための吸気ポート２３３と、燃焼室内で発生した燃焼ガスを排出するための排気ポート２３５などが設けられている。図１に示した吸気通路１９０は吸気ポート２３３に接続され、排気通路１８０は排気ポート２３５に接続される。また、シリンダヘッド２３０には、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁１９２と、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ２３６と、吸気バルブ２３２と、排気バルブ２３４とが設けられている。吸気バルブ２３２および排気バルブ２３４は、それぞれにカム機構によって駆動され、ピストン２４４の動きに同期して吸気ポート２３３および排気ポート２３５を開閉する。また、それぞれのカム機構には、図示しない周知の可変機構が組み込まれており、吸気バルブ２３２および排気バルブ２３４の開閉時期を変更可能となっている。
【００４４】
ここで、エンジン１１０の動作について説明する。エンジン１１０は、燃焼室内に空気を吸い込んで混合気を形成する吸気行程と、燃焼室内で混合気を圧縮する圧縮行程と、圧縮した混合気を燃焼させて燃焼室内に発生した圧力を機械的仕事に変換する膨張行程と、燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気行程と、の４つの行程を繰り返しながら動力を出力する４サイクルエンジンである。もちろん、４サイクルエンジンに限らず、２サイクルなどの他の方式のエンジンを用いることも可能である。図６は、エンジン１１０が燃焼室内で混合気を燃焼させることによって動力を出力する様子を概念的に示した説明図である。図６（ａ）はエンジン１１０の吸気行程を表している。
【００４５】
図６（ａ）に示すように、吸気行程では、吸気バルブ２３２を開いた状態でピストン２４４を降下させることによって、燃焼室内に空気を吸入する。図６（ａ）中に実線で示した矢印は、吸気バルブ２３２から空気が燃焼室内に流入する様子を概念的に表している。また、燃料は吸気行程中に燃料噴射弁１９２から燃焼室内に直接噴射する。こうして吸気行程中に燃料を噴射してやれば、噴射した燃料の噴霧は、吸気バルブ２３２から流入してくる空気と混合しながら燃焼室内に流入し、更に、燃焼室内で攪拌されて、ピストン２４４が下死点に達する頃には、燃料と空気とがほぼ均一に混ざり合った混合気が形成される。
【００４６】
ピストン２４４が一番下まで下がりきったら、吸気バルブ２３２を閉じた後、ピストン２４４を上昇させて混合気を圧縮する。図６（ｂ）は、こうしてピストン２４４を上昇させることによって混合気を圧縮している様子を概念的に表している。エンジン１１０は、常用される所定の運転条件では、混合気を圧縮自着火させることによって燃焼させる。すなわち、ピストン２４４で圧縮するに伴って燃焼室内の混合気温度は次第に上昇していき、ピストンが上死点に達した付近でついには発火点を超えて自着火させることが可能である。図６（ｃ）は、こうしてピストンの上死点付近で、燃焼室内の混合気が自着火している様子を概念的に表している。ピストン２４４を上昇させるに連れて、混合気の温度はほぼ同時に上昇するから、燃焼室内の混合気はほぼ同時に自着火することになる。このようにして混合気を圧縮自着火燃焼させながら運転すると、排気ガスと共に排出される大気汚染物質の排出量や燃料消費量を大きく減少させることが可能なことが知られている。
【００４７】
また、混合気を圧縮自着火させない領域では、ピストン２４４が圧縮上死点に達する直前の所定のタイミングで、点火プラグ２３６から火花を飛ばすことによって燃焼室内の混合気に点火してやる。
【００４８】
図７は、エンジン１１０を圧縮自着火運転する場合に、ピストンの動きに同期させて吸気バルブ２３２および排気バルブ２３４を開閉するタイミング、および燃料噴射弁１９２から燃料を噴射するタイミングを示した説明図である。図中でＴＤＣはピストンが上死点にあるタイミングを示し、ＢＤＣはピストンが下死点にあるタイミングを示している。圧縮自着火運転する場合は、上死点を過ぎてしばらくしたタイミングで吸気バルブ２３２を開き、下死点を過ぎた直後のタイミングで閉じてやる。燃料は、吸気バルブ２３２を開いて程なくしたタイミングで噴射してやる。また、排気バルブ２３４は、ピストンが下死点に達する直前のタイミングで開き、上死点に達するよりかなり前のタイミングで閉じてやる。この様に排気バルブ２３４を早めに閉じてやり、また吸気バルブ２３２を遅めに開いてやれば、内部ＥＧＲが増加するので、燃焼室内の混合気を容易に圧縮自着火させることができる。
【００４９】
図８は、エンジンを火花点火運転する場合に、ピストンの動きに同期させて吸気バルブ２３２および排気バルブ２３４を開閉するタイミング、燃料を噴射するタイミング、点火プラグ２３６から火花を飛ばすタイミングを示した説明図である。火花点火運転する場合、吸気バルブ２３２は上死点の少し前のタイミングで開き、下死点を過ぎて程なくしたタイミングで閉じてやる。また、排気バルブ２３４は、下死点に達する前の所定のタイミングで開き、上死点を過ぎた直後のタイミングで閉じてやる。燃料は、吸気バルブ２３２が開いた後の所定のタイミングで燃焼室内に噴射する。また、上死点直前の所定のタイミングで、点火プラグ２３６から火花を飛ばすことによって混合気に点火する。
【００５０】
図７と図８とを比較すれば明らかなように、エンジン１１０を圧縮自着火運転する場合と、火花点火運転する場合とでは、吸気バルブ２３２を閉じるタイミングが違っているので、実質的な圧縮比が異なってくる。すなわち、ピストンが下死点を過ぎてしばらくしてから吸気バルブ２３２を閉じた場合は、一旦吸い込んだ空気が吸気バルブ２３２から逆流するので、実質的な圧縮比は、機械的な圧縮比よりも低くなる。これに対して、吸気バルブ２３２を下死点付近で閉じた場合は、実質的な圧縮比は機械的な圧縮比とほぼ等しくなる。従って、圧縮自着火運転する場合（図７に対応）は、火花点火運転する場合（図８に対応）よりも、実質的な圧縮比が高くなっている。このため、燃焼室内の混合気を確実に圧縮自着火させることが可能となっている。逆に、火花点火運転する場合には、実質的な圧縮比が低くなっているので、ピストン２４４による圧縮中に混合気が自着火してしまうことを回避することが可能となっている。
【００５１】
図９は、エンジン１１０を圧縮自着火運転する条件と、火花点火運転する条件との関係を示した説明図である。エンジン１１０の運転条件を、エンジン回転速度とスロットルバルブ１８６の開度（スロットル開度）とによって表現した場合、図中にハッチングを付した領域では混合気を圧縮自着火させて運転し、それ以外の運転条件では火花を飛ばして点火しながら運転する。すなわち、エンジン回転速度が極めて低い場合や、スロットル開度が小さい場合あるいは大きい場合は火花点火運転し、それ以外の運転条件では圧縮自着火運転する。図１に示したエンジンＥＣＵ１１２のＲＡＭには、図９に示すようなマップが予め記憶されており、エンジンＥＣＵ１１２はかかるマップの設定に基づいて、エンジンの運転状態を制御している。
【００５２】
Ｂ．エンジンの始動制御：
通常の車両では、エンジン１１０は車両の走行開始時に１回だけ始動され、走行終了後に１回だけ停止されることが普通であるのに対し、ハイブリッド車両１００では、車両の運転状態に合わせて車両の走行中にも始動と停止とが頻繁に行われる。従って、ハイブリッド車両１００では、大気汚染物質の排出量や燃料消費量をできるだけ増加させることなくエンジンを始動させる必要がある。
【００５３】
エンジンの始動はスロットルバルブを閉じた状態で行われるから、通常、エンジンは火花点火運転されながら始動される。しかし、ハイブリッド車両１００では、大気汚染物質の排出量および燃料消費量をできるだけ増加させることなく始動する必要があるから、エンジン１１０を圧縮自着火運転しながら始動することが好ましい。
【００５４】
とは言え、吸気バルブ２３２、排気バルブ２３４、燃料噴射弁１９２、あるいは点火プラグ２３６の駆動タイミングの設定を、図７、図８に示すように変更しただけでは、エンジンを圧縮自着火させて始動させることはできない。これは、次の理由による。エンジンの始動時は、エンジンの回転速度がたいへん遅く、燃焼室内に空気が流入するための時間が十分にあるために、燃焼室内には多量の空気が流入している。すなわち、エンジン始動時は、スロットルバルブが閉じられているにもかかわらず、燃焼室内に多量の空気が流入するために、高負荷運転条件時と同様にノックが発生してしまうので、圧縮自着火させながら始動させることが困難となっているのである。
【００５５】
そこで、本実施例では、ノックを発生させることなくエンジン１１０を圧縮自着火運転しながら始動させるために、次のような始動制御を行う。
【００５６】
図１０は、エンジン１１０を始動させる制御の流れを示したフローチャートである。かかる処理は、ハイブリッドＥＣＵ１６０によって、エンジン１１０の始動を要すると判断された場合に起動され、ハイブリッドＥＣＵ１６０、エンジンＥＣＵ１１２、モータＥＣＵ１５６がそれぞれ協働することによって実行される。以下、図１０のフローチャートに従って説明する。
【００５７】
エンジン始動ルーチンを開始すると、先ず初めに、ＭＧ１の回転速度を正回転方向に増速させる処理を開始する（ステップＳ２００）。すなわち、図３の共線図を用いて前述したように、エンジン１１０の停止中は、サンギア軸１４１に接続されたＭＧ１は負の方向に回転しているので、これを図２の共線図に示す状態に近づけていくのである。具体的には、負の方向に回転しているＭＧ１の回転速度を次第に小さくして行き、速度が０になったら、今度は、少しずつ正の方向に増速していく。こうすれば、止まっていたプラネタリキャリア１４６が少しずつ正方向に回転し始め、これに伴ってエンジン１１０の回転速度が次第に増加していく。
【００５８】
次いで、エンジン１１０の水温が設定水温より高いか否かを判断する（ステップＳ２０２）。エンジン水温は、水温センサ１８２を用いて検出することができる。エンジン水温が設定水温よりも高い場合は（ステップＳ２０２：ｙｅｓ）、エンジン１１０を圧縮自着火運転させながら始動するための制御を開始する。そうでない場合は（ステップＳ２０２：ｎｏ）、火花点火運転させながら始動するための制御を開始する。先ず、圧縮自着火運転させながら始動させる場合について説明する。
【００５９】
ステップＳ２０２においてエンジン水温が設定水温よりも高いと判断された場合は、エンジン１１０の回転速度Ｎe が第１の閾値回転速度Ｎth1 に達したか否かを判断する（ステップＳ２０４）。エンジン１１０の回転速度は、クランク角度センサ１１８の出力に基づいて算出することができる。そして、エンジンの回転速度が第１の閾値回転速度Ｎth1 に達していない場合は（ステップＳ２０４：ｎｏ）、エンジンの回転速度が上昇するまで待機する。図９に示すように、第１の閾値回転速度Ｎth1 は、エンジン１１０を圧縮自着火運転可能な回転速度に設定されている。そして、第１の閾値回転速度Ｎth1 に達したことを確認したら（ステップＳ２０４：ｙｅｓ）、スロットルバルブ１８６の開度と、吸気バルブ２３２および排気バルブ２３４の開閉タイミングを、圧縮自着火運転しながらエンジン１１０を始動させるための設定に変更し（ステップＳ２０６）、図７に示した所定のタイミングで燃料を噴射してエンジンを始動させる（ステップＳ２０８）。
【００６０】
一方、ステップＳ２０２においてエンジン水温が設定水温に達していないと判断された場合（ステップＳ２０２：ｎｏ）は、エンジン１１０の回転速度Ｎe が第２の閾値回転速度Ｎth2 に達したか否かを判断する（ステップＳ２１０）。図９に示すように、第２の閾値回転速度Ｎth2 は第１の閾値回転速度Ｎth1 よりも小さな値に設定されている。第２の閾値回転速度Ｎth2 は、通常のエンジンを始動させるときのクランキング回転速度と同程度の回転速度に設定することができる。そして、エンジンの回転速度が第２の閾値回転速度Ｎth2 に達していない場合は（ステップＳ２１０：ｎｏ）、エンジンの回転速度が上昇するまで待機する。第２の閾値回転速度Ｎth2 に達したことを確認したら（ステップＳ２１０：ｙｅｓ）、スロットルバルブ１８６の開度と、吸気バルブ２３２および排気バルブ２３４の開閉タイミングを、火花点火運転しながらエンジン１１０を始動させるための設定に変更し（ステップＳ２１２）、図８に示した所定のタイミングで燃料を噴射した後、点火プラグ２３６から火花を飛ばして混合気に点火することによりエンジンを始動させる（ステップＳ２１４）。
【００６１】
以上のようにしてエンジン１１０を始動すると、エンジン１１０の回転速度が上昇し始め、またエンジン１１０からトルクが出力されるので、この影響が車軸１７０側に伝わらないように、ＭＧ１の回転速度および出力トルクを修正する（ステップＳ２１６）。こうして、エンジン１１０の始動を完了したら、図１０に示したエンジン始動ルーチンを終了する。
【００６２】
エンジンの回転速度が第２の閾値回転速度Ｎth2 で回転しているときには、燃焼室内に空気が流入するための十分な時間があるので、燃焼室内の状態は、ちょうど図９中に破線の丸印で示したように、高負荷条件時に近い状態となっている。このため、圧縮自着火させながらエンジン１１０を始動させようとすると、ノックが発生してしまうが、エンジン１１０の回転速度を第１の閾値回転速度Ｎth1 まで上昇させておけば、図９中に矢印で示したように、燃焼室内の状態を圧縮自着火運転に適した状態とすることができるので、圧縮自着火させながら始動させても、ノックを起こさせることなくエンジンを始動させることが可能となる。
【００６３】
図１１は、図１０に示したエンジン始動ルーチンに従って、エンジン１１０を圧縮自着火させながら始動している様子を概念的に示した説明図である。前述したように、エンジン１１０の停止中は、ＭＧ１は負の方向に回転している。また、エンジン１１０のスロットル開度および燃料噴射量は、いずれも０となっている。
【００６４】
図１０の始動制御を開始すると、ＭＧ１の回転速度が正方向に少しずつ増加し、これに伴ってエンジン１１０の回転速度Ｎe が次第に増加していく。そして、回転速度Ｎe が第１の閾値回転速度Ｎth1 に達したら、スロットル開度を予め設定されている開度まで速やかに増加させ、所定量の燃料を噴射する。こうすることによって、エンジン１１０の燃焼室内では混合気が圧縮自着火する。尚、エンジンの始動をより容易にするために、燃料噴射開始直後は、噴射する燃料量を増加させてやることとしても良い。こうして混合気を燃焼させると、エンジンの回転速度Ｎe が増加していき、やがて安定した速度で回転し始めて始動が完了する。こうしたエンジン回転速度の変動や出力トルクの変動が車軸に影響しないように、ＭＧ１は回転速度と出力トルクを修正する。こうすれば、エンジン１１０をノックさせることなく圧縮自着火させながら始動することができる。従って、火花点火運転しながら始動する場合に比べて、ハイブリッド車両から排出される大気汚染物質や燃料消費量を大きく減少させることが可能となる。
【００６５】
以上、各種の実施例について説明してきたが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することができる。例えば、上述した実施例では、ハイブリッド車両は、プラネタリギアを用いたいわゆる機械分配式のハイブリッド車両であるものとしたが、電気分配式のハイブリッド車両など、周知の方式の種々のハイブリッド車両に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例のハイブリッド車両の構成を示す説明図である。
【図２】エンジンが出力する動力と２つのモータ・ジェネレータで発生する動力との関係を示す共線図である。
【図３】エンジン始動時におけるエンジンと２つのモータ・ジェネレータとの関係を示す共線図である。
【図４】ハイブリッド車両の運転制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。
【図５】エンジンの構造を概念的に示す説明図である。
【図６】燃焼室内で混合気を圧縮自着火させながらエンジンを運転する様子を概念的に示した説明図である。
【図７】エンジンを圧縮自着火運転しているときのバルブタイミングおよび燃料噴射タイミングを例示した説明図である。
【図８】エンジンを火花点火運転しているときのバルブタイミング、燃料噴射タイミング、および点火タイミングを例示した説明図である。
【図９】エンジンを火花点火運転する運転条件と、圧縮自着火運転する運転条件とが設定されている様子を概念的に示した説明図である。
【図１０】エンジンを始動させる処理の流れを示したフローチャートである。
【図１１】エンジンを始動させる様子を概念的に示した説明図である。
【符号の説明】
１００…ハイブリッド車両
１１０…エンジン
１１２…エンジンＥＣＵ
１１４…クランクシャフト
１１８…クランク角度センサ
１２０…モータ・ジェネレータＭＧ１
１２２…永久磁石
１２３…ロータ
１２４…三相コイル
１２５…ステータ
１２６…レゾルバ
１３０…モータ・ジェネレータＭＧ２
１３２…永久磁石
１３３…ロータ
１３４…三相コイル
１３５…ステータ
１３６…レゾルバ
１３８…ケース
１４０…プラネタリギア
１４１…サンギア軸
１４２…サンギア
１４４…プラネタリピニオンギア
１４６…プラネタリキャリア
１４７…リングギア軸
１４８…リングギア
１５０…バッテリ
１５２…インバータ
１５４…インバータ
１５６…モータＥＣＵ
１６０…ハイブリッドＥＣＵ
１６２…アクセルポジションセンサ
１６４…ブレーキスイッチ
１７０…車軸
１７２…駆動輪
１７４…チェーンベルト
１８０…排気通路
１８２…水温センサ
１８６…スロットルバルブ
１８８…電動アクチュエータ
１９０…吸気通路
１９２…燃料噴射弁
１９６…エアクリーナ
２００…浄化触媒
２３０…シリンダヘッド
２３２…吸気バルブ
２３３…吸気ポート
２３４…排気バルブ
２３５…排気ポート
２３６…点火プラグ
２４０…シリンダブロック
２４２…シリンダ
２４４…ピストン
２４６…コネクティングロッド
【発明の属する技術分野】
この発明は、動力源として内燃機関と電動機とを備えるハイブリッド車両において、該内燃機関を適切に始動する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関は、比較的小型でありながら大きな動力を発生させることができるという優れた特性を有しており、種々の方式の内燃機関が使用されている。これら内燃機関はいずれも、燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させ、このときに発生する圧力を、機械的仕事に変換して出力することを動作原理としている。
【０００３】
また、燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる方式の内燃機関は、排気ガスとともに大気に排出される大気汚染物質の排出量や、燃料消費量が少ないという優れた特性も備えている。
【０００４】
もっとも、こうした圧縮自着火方式の内燃機関も、全ての運転条件で混合気を圧縮自着火させながら運転することは困難であり、負荷の高い運転条件や負荷の極めて低い運転条件では、通常の内燃機関のように、燃焼室内で火花を飛ばして混合気に点火しながら運転している。これは、混合気を圧縮自着火させる関係上、内燃機関の負荷が高くなるとノックが発生し易くなり、また、負荷が極めて低くなると混合気を圧縮自着火させることが困難になるためである。尚、以下では、混合気に火花を飛ばして点火しながら運転することを「火花点火運転」と呼び、混合気を圧縮自着火しながら運転することを「圧縮自着火運転」とも呼ぶこととする。このことから、圧縮自着火方式の内燃機関においては、低負荷域から中負荷域の範囲では圧縮自着火運転を行い、高負荷域あるいは極低負荷域では火花点火運転に切り換えて運転する技術が種々提案されている（例えば、特開２００１−３８００号、特開２００１−２５４６６０号など）。
【０００５】
内燃機関の始動時は極低負荷条件に相当しているので、これらの技術においては、火花点火運転しながら内燃機関を始動することになる。火花点火運転する場合は、圧縮自着火運転する場合に比べて大気汚染物質の排出量や燃料消費量が多くなるが、内燃機関の始動は頻繁に行われることはないので、このことによる影響は極めて限定的であり、実際上はほとんど問題となることはない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、圧縮自着火方式の内燃機関をハイブリッド車両の搭載した場合は、内燃機関の始動時に火花点火運転されることによる弊害が相対的に大きくなる。これは、ハイブリッド車両では、車両の走行状態に合わせて車両の走行中もエンジンの始動と停止とが繰り返されるので、始動の頻度が高いためである。このことから、圧縮自着火方式の内燃機関をハイブリッド車両の搭載する場合には、内燃機関をできるだけ適切に始動させる技術の開発が要請されることになる。
【０００７】
この発明は、従来技術における上述した課題を解決するためになされたものであり、圧縮自着火方式の内燃機関を搭載したハイブリッド車両において、該内燃機関をできるだけ適切に始動する技術の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明のハイブリッド車両は次の構成を採用した。すなわち、
動力源として内燃機関と電動機とを搭載したハイブリッド車両であって、
前記ハイブリッド車両の運転条件を検出し、前記内燃機関および前記電動機がそれぞれに分担する動力を、該検出した運転条件に基づき決定することによって該ハイブリッド車両の運転状態を制御する車両制御手段と、
前記内燃機関が分担すべき動力に応じて該内燃機関を制御する内燃機関制御手段と、
前記電動機が分担すべき動力に応じて該前記電動機を制御する電動機制御手段と
を備え、
前記内燃機関制御手段は、
前記内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記検出した回転速度と前記内燃機関が分担すべき動力とに基づいて、該内燃機関の運転条件を決定する運転条件決定手段と、
燃焼室内で火花を飛ばして混合気を燃焼させることにより前記内燃機関を火花点火運転するべき運転条件と、該燃焼室内で混合気を圧縮自着火させることにより該内燃機関を圧縮自着火運転するべき運転条件とを記憶しておく運転条件記憶手段と
を備えるとともに、
前記決定した運転条件に応じて、前記火花点火運転あるいは前記圧縮自着火運転のいずれかの運転方法を用いて前記内燃機関を制御する手段であり、
前記車両制御手段は、前記決定した動力の分担に基づいて、前記内燃機関の始動の要否を判断する始動要否判断手段を備え、
前記電動機制御手段は、前記内燃機関の始動を要すると判断された場合に、前記内燃機関の運転条件が前記圧縮自着火運転すべき運転条件となるように、前記電動機を駆動して該内燃機関の回転速度を上昇させる機関回転速度上昇手段を備えていることを要旨とする。
【０００９】
かかるハイブリッド車両は、車両の運転条件に応じて、内燃機関および電動機がそれぞれ分担する動力を決定し、かかる決定に基づいて該内燃機関と該電動機とを制御する。ここで、内燃機関は、燃焼室内で火花を飛ばして混合気を燃焼させながら運転する火花点火運転と、該燃焼室内で混合気を圧縮自着火させながら運転する圧縮自着火運転とのいずれかの方法によって運転される内燃機関であり、次のようにして制御される。先ず、内燃機関の回転速度を検出し、検出した回転速度と分担すべき動力とに基づいて、該内燃機関の運転条件を決定する。該内燃機関には、前記圧縮自着火運転を行うべき運転条件と、前記火花点火運転を行うべき運転条件とが予め記憶されており、決定された運転条件に応じて、いずれか適切な運転方法を用いて制御される。ハイブリッド車両の運転条件に応じて内燃機関と電動機とが分担する動力を決定した結果、該内燃機関の始動を要すると判断された場合には、前記電動機を駆動することによって、該内燃機関を前記圧縮自着火運転すべき運転条件となるように該内燃機関の回転速度を上昇させる。こうすれば、内燃機関を圧縮自着火運転しながら始動させることができるので、内燃機関を頻繁に始動する必要があるハイブリッド車両においても、内燃機関を適切に始動することが可能となる。
【００１０】
こうしたハイブリッド車両においては、内燃機関の運転状態を検出し、該内燃機関の始動に際しては、検出した運転状態が前記圧縮自着火運転に適するか否かを判断することとしてもよい。そして、圧縮自着火運転に適しない運転状態と判断された場合には、該内燃機関の回転速度を、前記火花点火運転すべき運転条件の範囲に抑制した状態で、該内燃機関を始動させる。ここで、内燃機関の運転状態としては、例えば、冷却水の温度や、潤滑油の温度、吸入空気の温度などを用いることができる。このようにして内燃機関を始動させれば、該内燃機関の運転状態が圧縮自着火運転に適していない場合には、火花点火運転をしながら始動させることが可能となるので好ましい。
【００１１】
こうした内燃機関に、吸気弁および排気弁の開閉時期を制御する開閉時期可変機構が設けられている場合には、前記火花点火運転しながら始動させる場合と、前記圧縮自着火運転しながら始動させる場合とで、該開閉時期の設定を切り換えることとしても良い。あるいは、内燃機関に、吸入空気量を制御する吸気量可変機構が設けられている場合には、前記火花点火運転しながら始動させる場合と、前記圧縮自着火運転しながら始動させる場合とで、該吸入空気量の設定を切り換えることとしても良い。内燃機関を火花点火運転する場合と圧縮自着火運転する場合とでは、吸気弁および排気弁の開閉時期、あるいは吸入空気量の最適な設定値は異なっているから、これらのいずれかを切り換えてやれば、より適切に内燃機関を始動することが可能となるので好適である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の作用・効果をより明確に説明するために、次のような順序に従って、本発明の実施例を説明する。
Ａ．装置構成：
Ａ−１．ハイブリッド車両の構成：
Ａ−２．ハイブリッド車両の動作の概要：
Ａ−３．エンジンの概要：
Ｂ．エンジンの始動制御：
【００１３】
Ａ．装置構成：
Ａ−１．ハイブリッド車両の構成：
図１は、本実施例のハイブリッド車両１００の概略構成を示す説明図である。図示するように、このハイブリッド車両１００は、エンジン１１０と、モータ・ジェネレータ（ＭＧ１）１２０と、モータ・ジェネレータ（ＭＧ２）１３０とを有し、エンジン１１０と２つのモータ・ジェネレータＭＧ１，ＭＧ２とはプラネタリギア１４０で互いに結合されている。詳細には後述するが、エンジン１１０およびＭＧ２は、主に車両を駆動するための駆動力を出力し、ＭＧ１は主にエンジン１１０によって駆動されて主として発電機として機能する。プラネタリギア１４０は、ＭＧ２からの出力を、チェーンベルト１７４と車軸１７０とを介して駆動輪１７２に伝達する役割や、エンジン１１０からの出力を、ＭＧ１と駆動輪１７２とに振り分ける動力分割機構としての役割、更には、ＭＧ２やエンジン１１０の回転速度を減速あるいは増速して駆動輪１７２に伝達する変速機としての役割を有している。プラネタリギア１４０の機能については後述する。
【００１４】
エンジン１１０は、４つの燃焼室を備えており、各燃焼室内で空気と燃料との混合気を燃焼させることによって動力を発生させる。各燃焼室には吸気通路１９０が接続されており、吸気通路１９０の上流にはエアクリーナ１９６が設けられている。空気は、エアクリーナ１９６で異物が取り除かれた後、吸気通路１９０を介して燃焼室内に供給される。吸気通路１９０には、燃焼室内に流入する空気量を調整するためのスロットルバルブ１８６が設けられており、スロットルバルブ１８６は電動アクチュエータ１８８によって駆動されている。また、各燃焼室には燃料を噴射するための燃料噴射弁１９２も設けられている。燃焼室内で混合気が燃焼したときに発生する排気ガスは、排気通路１８０から排出される。排気通路１８０には浄化触媒２００が設けられており、排気ガス中に含まれる有害物質を浄化触媒２００で浄化することが可能である。
【００１５】
本実施例のエンジン１１０は、燃焼室内で火花を飛ばすことによって混合気を燃焼させる場合と、燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる場合とがあり、運転条件に応じて、これら燃焼方式を切り換えながら運転される。エンジン１１０の構造および制御の概要については後述する。
【００１６】
エンジン１１０には、エンジン制御用の電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵ）１１２が搭載されている。エンジンＥＣＵ１１２は、ＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、タイマなどがバスを介して相互にデータをやり取り可能に接続された周知のマイクロコンピュータである。クランクシャフト１１４の先端にはクランク角度センサ１１８が設けられており、エンジンＥＣＵ１１２は、クランク角度センサ１１８の出力に基づいて、クランクシャフト１１４の回転位置（クランク角度）に関する情報を取得する。そして、エンジンＥＣＵ１１２は、後述するハイブリッドＥＣＵ１６０の制御の下で、電動アクチュエータ１８８や燃料噴射弁１９２などをクランクシャフト１１４の回転に同期させながら適切なタイミングで駆動することによって、エンジン１１０の動作状態を制御する。また、エンジンＥＣＵ１１２は、エンジン１１０に搭載された水温センサ１８２の出力に基づいてエンジン水温を検出することも可能となっている。
【００１７】
プラネタリギア１４０は、中心部に設けられたサンギア１４２と、サンギア１４２の外側に同心円状に設けられたリングギア１４８と、サンギア１４２とリングギア１４８との間に配置されてサンギア１４２の外周を自転しながら公転する複数のプラネタリピニオンギア１４４と、エンジンのクランクシャフト１１４の端部に結合されて各プラネタリピニオンギア１４４の回転軸を軸支するプラネタリキャリア１４６とから構成されている。サンギア１４２は、サンギア軸１４１を介してＭＧ１のロータ１２３に結合され、リングギア１４８は、リングギア軸１４７を介してＭＧ２のロータ１３３に結合されている。プラネタリキャリア１４６は、エンジンのクランクシャフト１１４に結合されている。
【００１８】
このような構成のプラネタリギア１４０は、サンギア軸１４１、リングギア軸１４７、クランクシャフト１１４の３軸が動力の入出力軸とされ、３軸の中のいずれか２軸へ入出力される動力が決定されると、残余の１軸に入出力される動力が決定される。リングギア１４８にはチェーンベルト１７４が接続されており、動力はチェーンベルト１７４および車軸１７０を介して駆動輪１７２に伝達されて、ハイブリッド車両１００を駆動する。
【００１９】
ＭＧ１は、交流同期電動機であり、外周面に複数の永久磁石１２２を有するロータ１２３と、回転磁界を形成する三相コイル１２４が巻回されたステータ１２５などから構成されている。ステータ１２５はケース１３８に固定されており、ロータ１２３は、前述したように、プラネタリギア１４０のサンギア軸１４１に結合されている。また、サンギア軸１４１には、ロータ１２３の回転角度を検出するレゾルバ１２６が設けられている。ＭＧ１は、インバータ１５２を介してモータＥＣＵ１５６に接続されている。モータＥＣＵ１５６はインバータ１５２を制御することによって、バッテリ１５０から三相コイル１２４に適切な周波数で適切な電流値の交流電流を供給し、これによってＭＧ１の動作を制御している。
【００２０】
ＭＧ２も、ＭＧ１と同様の交流同期電動機であり、外周面に複数の永久磁石１３２を有するロータ１３３と、回転磁界を形成する三相コイル１３４が巻回されたステータ１３５などから構成されている。ＭＧ２のロータ１３３はプラネタリギア１４０のリングギア軸１４７に結合され、ステータ１３５はケース１３８に固定されている。また、リングギア軸１４７にはロータ１３３の回転角度を検出するレゾルバ１３６が設けられている。ＭＧ２は、インバータ１５４を介してモータＥＣＵ１５６に接続され、モータＥＣＵ１５６は、インバータ１５４を制御することによってＭＧ２の動作を制御している。
【００２１】
ハイブリッド車両１００には、エンジンＥＣＵ１１２およびモータＥＣＵ１５６に加えて、車両全体の制御を司るハイブリッドＥＣＵ１６０が搭載されている。これらＥＣＵは、前述したエンジンＥＣＵ１１２と同様の構成を有するマイクロコンピュータである。ハイブリッドＥＣＵ１６０は、アクセルポジションセンサ１６２や、ブレーキスイッチ１６４、あるいはバッテリ１５０などの種々の情報を検出して車両全体としての運転条件を決定し、これに基づいてエンジンＥＣＵ１１２およびモータＥＣＵ１５６が、それぞれエンジン１１０およびＭＧ１，ＭＧ２の動作を制御している。
【００２２】
Ｂ−２．ハイブリッド車両の動作の概要：
以上のような構成を有するハイブリッド車両１００の動作原理、特にプラネタリギア１４０の機能について説明する。プラネタリギア１４０は、サンギア軸１４１，リングギア軸１４７，クランクシャフト１１４の３軸の中のいずれか２軸へ入出力される動力（すなわち、回転速度およびトルク）が決定されると、残余の１軸に入出力される動力（回転速度およびトルク）が決定される構造となっている。これら３軸間に入出力される回転速度およびトルクの関係は、共線図を用いて容易に求めることができる。
【００２３】
図２は、プラネタリギア１４０の３軸に接続された各ギアの回転速度および回転方向の関係を示す共線図である。ここで、縦軸は各ギア（サンギア１４２，リングギア１４８，プラネタリキャリア１４６）の回転速度、すなわち、エンジン１１０，ＭＧ２，ＭＧ１の回転速度を表している。一方、横軸は各ギアのギア比を表している。リングギア１４８の歯数に対するサンギア１４２の歯数をρとすると、プラネタリキャリア１４６に対応する縦軸は、サンギア１４２とリングギア１４８との間を１：ρに内分する座標位置にくる。
【００２４】
今、プラネタリキャリア１４６すなわちエンジン１１０の回転速度をＮe とし、リングギア１４８すなわちＭＧ２の回転速度をＮr とする。図２に示した共線図上で、プラネタリキャリアを表す座標軸Ｃに回転速度Ｎe をプロットし、リングギアを表す座標軸Ｒに回転速度Ｎr をプロットして、両プロット点を直線で結ぶ。このような直線を考えると、サンギア１４２すなわちＭＧ１の回転速度Ｎs は、得られた直線とサンギアを表す座標軸Ｓとの交点の座標として求めることができる。このような直線は動作共線と呼ばれる。このように、プラネタリキャリア１４６，リングギア１４８，サンギア１４２の中のいずれか２つの回転速度が決定されれば、共線図上に２つの座標点をプロットして両プロット点を結ぶ動作共線を考えることにより、他の１つの回転速度を求めることができる。
【００２５】
次に、プラネタリギア１４０の３軸間に入出力されるトルクの関係について説明する。共線図上でトルクの関係を求めるには、動作共線をあたかも剛体のように扱って、トルクを剛体に作用する力のように扱う。例えば、エンジン１１０がトルクＴe を発生し、駆動輪１７２からトルクＴr を出力する場合を考える。駆動輪１７２から出力するトルクは、動作共線上では座標軸Ｒ上にかかる反力トルクＴr として表れる。
【００２６】
今、座標軸Ｃの位置で動作共線に下からトルクＴe を作用させる。そして、図３に示すように、このトルクＴe が、座標軸Ｓ上と座標軸Ｒ上とに分配されて作用していると考える。ここで、座標軸Ｓ上にかかるトルクをトルクＴesとすると、トルクＴesは、
Ｔes＝Ｔｅ・ρ／（１＋ρ）
となり、また座標軸Ｒ上にかかるトルクをトルクTerとすると、トルクTerは、
Ｔer＝Ｔｅ／（１＋ρ）
として表される。
【００２７】
今、駆動輪１７２からトルクＴr を出力しようとする場合、エンジン１１０からはトルクＴerが分配されるから、不足分のトルクＴr −ＴerをＭＧ２から出力してやればよい。これを、動作共線上でトルクの釣り合いを考えることにより、次のように求めることもできる。先ず、駆動輪１７２からトルクＴr を出力する場合、動作共線上では、座標軸Ｒの位置に反力トルクＴr がかかる。そこで、座標軸Ｒ上で、エンジン１１０から分配されたトルクＴerと、反力トルクＴr と、ＭＧ２の出力トルクとを釣り合わせるために、ＭＧ２が出力すべきトルクＴm2は、Ｔm2＝Ｔr −Ｔerと求めることができる。
【００２８】
また、座標軸Ｓ上での釣り合いを考えれば、ＭＧ１が出力すべきトルクＴm1を求めることができる。すなわち、座標軸Ｓには、エンジン１１０から分配されるトルクＴesしかかかっていないから、ＭＧ１からは、これと同じ値のトルクを逆方向に出力してやればよい。
【００２９】
ここで、図２の共線図の座標軸Ｓに示されているように、ＭＧ１の回転方向とトルクＴm1の向きとは逆方向となっている。これは、ＭＧ１が発電機として動作していることを表している。また、座標軸Ｒに示されているように、ＭＧ２の回転方向とトルクＴm2の向きとは同じ向きとなっている。これは、ＭＧ２が電動機として動作していることを表している。すなわち、ＭＧ１で発電しつつ、ＭＧ２で電力を消費している状態となっている。
【００３０】
また、エンジン１１０を停止させた状態でハイブリッド車両１００を走行させる時の共線図は、図３のようになる。先ず回転速度について考えると、リングギア１４８は、車両の走行速度に応じた回転速度Ｎr で回転する。また、エンジン１１０は止まっているから、座標軸Ｃでの回転速度は０、すなわち動作共線は座標軸Ｃ上では、回転速度０の位置を通過する。こうして座標軸Ｒ上での座標と座標軸Ｃ上での座標とが決まれば動作共線が決定され、サンギアの回転速度Ｎs は、動作共線が座標軸Ｓ上を通過する座標として求めることができる。次に、ＭＧ１，ＭＧ２の出力すべきトルクについて考える。エンジン１１０はトルクを出力していないから、エンジンから座標軸Ｒおよび座標軸Ｓに分配されるトルクはない。従って、座標軸Ｒ上には、駆動輪１７２からの反力トルクＴr のみが加わることになるから、ＭＧ２の出力トルクＴm2は、Ｔr と同じ大きさで逆向きのトルク（すなわち、Ｔm2＝−Ｔr ）として求めることができる。また、座標軸Ｓ上にはトルクは加わらないから、ＭＧ１の出力トルクＴm1は０となる。
【００３１】
このように、駆動輪１７２から出力されてハイブリッド車両１００の車軸１７０に伝えられるトルク、あるいは車軸１７０の回転速度は、エンジン１１０、ＭＧ１、ＭＧ２の回転速度および出力トルクの組合せによって決定される。一般に、エンジンには、もっともエネルギ効率が良くなる運転条件が存在するから、エンジン１１０ができるだけ効率の良い運転条件で運転されるように、ＭＧ１およびＭＧ２の回転速度、出力トルクを制御してやることができる。こうすれば、エンジンのエネルギ効率を大きく向上させることができ、延いてはハイブリッド車両全体としてのエネルギ効率を大きく向上させることが可能となる。
【００３２】
また、エンジンは一般に、回転速度があまりに小さくなったり、あるいは発生トルクが小さくなって、動力の出力値があまりに小さな値となるとエネルギ効率が低下する傾向にある。従って、車軸に出力すべき動力値があまりに小さな値の場合には、エンジン１１０の運転を停止し、バッテリ１５０に蓄えた電力でＭＧ２を駆動して、いわゆる電気自動車として走行すればよい。
【００３３】
車両が減速する場合には、車軸１７０がチェーンベルト１７４を介してリングギア１４８を回転させるので、この回転を利用してＭＧ２で発電し、電力をバッテリ１５０に蓄える。このようないわゆる回生動作を行えば、減速時の車両の運動エネルギを電気エネルギとして回収することができる。車両の発進時や低速走行時などには、こうして蓄えた電力を利用することで、車両全体としての燃料消費効率を向上させることができる。
【００３４】
このように、車両の運転状態に応じてエンジン１１０やＭＧ１、ＭＧ２を適切に動作させる制御は、ハイブリッドＥＣＵ１６０が行う。以下、ハイブリッドＥＣＵ１６０が行っている運転制御について簡単に説明する。
【００３５】
図４は、運転制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。運転制御ルーチンを開始すると、ハイブリッドＥＣＵ１６０は、先ず初めに車軸１７０から出力すべき駆動エネルギＰｄを決定する処理を行う（ステップＳ１００）。駆動力Ｐｄは、アクセルポジションセンサ１６２と車軸の回転速度とに基づいて決定することができる。すなわち、アクセルペダルは、車両の運転者が出力トルクが足らないと感じたときに踏み込まれるものであるから、アクセルペダルの踏み込み量（アクセルポジションセンサ１６２の出力）は運転者の欲しているトルクに対応している。トルクに回転速度を乗算すれば単位時間あたりの駆動エネルギが得られる。従って、車軸１７０から出力すべき駆動エネルギＰｄは、アクセルポジションセンサ１６２の出力と車軸の回転速度とが決まると、適切な値を決めてやることができる。本実施例では、アクセルポジションセンサ１６２と車軸の回転速度とに対する適切な駆動エネルギＰｄの値を実験的に予め求めておき、マップの形式でハイブリッドＥＣＵ１６０に予め記憶されている。
【００３６】
次に、充放電電力Ｐｂおよび補機駆動エネルギＰｈを算出する（ステップＳ１０２）。充放電電力Ｐｂとは、バッテリ１５０の充放電に要する単位時間あたりのエネルギであり、バッテリ１５０を充電する必要がある場合には正の値、放電する必要がある場合には負の値を採る。補機駆動エネルギＰｈとは、エアコンなどの補機を駆動するために必要となる単位時間あたりのエネルギである。補機駆動エネルギＰｈは、駆動している補機を検出し、これらの駆動に要するエネルギを加算することで算出する。こうして、駆動エネルギＰｄ，充放電電力Ｐｂ，補機駆動エネルギＰｈを算出したら、これらを加算して要求動力Ｐｅを算出する（ステップＳ１０４）。ここで要求動力Ｐｅとは、エンジン１１０、ＭＧ１、ＭＧ２をひとまとまりのハイブリッド機関と見たときに、ハイブリッド機関が出力すべき動力である。
【００３７】
次に、ハイブリッドＥＣＵ１６０は、こうして算出された要求動力Ｐｅに基づいてエンジン１１０の運転条件を設定する（ステップＳ１０６）。エンジンの運転条件は、エンジンの目標回転速度Ｎｅと目標トルクＴｅとの組み合わせによって設定される。ハイブリッドＥＣＵ１６０に内蔵されたＲＡＭには、要求動力Ｐe に対して、エンジンの燃料消費効率ができるだけ高くなるような運転条件が予め記憶されており、このＲＡＭを参照することによって、エンジンの回転速度、発生トルクを設定する。
【００３８】
エンジン１１０の運転条件を設定すると、ハイブリッドＥＣＵ１６０は、続いてＭＧ１およびＭＧ２のそれぞれについて、発生トルクおよび回転速度の指令値を設定する（ステップＳ１０８）。ステップＳ１００で駆動エネルギＰd を算出する際に、車軸の回転速度は既に検出されているので、この値に基づいてリングギア軸１４７の回転速度Ｎｒを算出することができる。また、駆動エネルギＰd と回転速度Ｎｒから、リングギア軸１４７にかかるトルクＴr も求めることができる。従って、ステップＳ１０６においてエンジン１１０の回転速度Ｎｅと発生トルクＴｅとが定まれば、図２に示した動作共線に基づいて、ＭＧ１，ＭＧ２の回転速度および出力トルクを決定することができる。ステップＳ１０８では、このようにして、ＭＧ１およびＭＧ２についての回転速度および出力トルクの指令値を算出する。
【００３９】
以上のようにしてエンジン１１０の運転条件と、ＭＧ１，ＭＧ２とについての発生トルクおよび回転速度の指令値を決定したら、決定した運転条件に従ってエンジン１１０およびＭＧ１，ＭＧ２を制御する（ステップＳ１１０）。モータ・ジェネレータの制御としては、同期モータを制御するための周知の方法を適用することができる。本実施例では、いわゆる比例積分制御による制御を行う。つまり、各モータの現在のトルクを検出し、目標トルクとの偏差および目標回転数に基づいて、各相に印加する電圧指令値を設定する。印加される電圧値は上記偏差の比例項、積分項、累積項によって設定される。それぞれの項にかかる比例係数は実験などにより適切な値が設定される。こうして設定された電圧は、インバータ１５２，１５４に入力され、いわゆるＰＷＭ制御によりＭＧ１、ＭＧ２に印加される。
【００４０】
ハイブリッドＥＣＵ１６０は、以上に説明した運転制御ルーチンを定期的に実行することによって、運転者の操作に応じてハイブリッド車両を適切に運転することが可能となっている。
【００４１】
Ａ−３．エンジンの概要：
次に、本実施例のハイブリッド車両１００に搭載されているエンジン１１０の概要について説明する。図５は、エンジン１１０の燃焼室の断面を取って、エンジンの構造を概念的に示した説明図である。図示するように、エンジン１１０は、シリンダブロック２４０の上部にシリンダヘッド２３０が組み付けられて構成されている。シリンダブロック２４０の内部には、円筒形のシリンダ２４２が設けられており、このシリンダ２４２の内部にはピストン２４４が摺動可能に設けられている。シリンダ２４２とピストン２４４とシリンダヘッド２３０の下面とで囲まれた空間が燃焼室となる。
【００４２】
ピストン２４４は、コネクティングロッド２４６を介してクランクシャフト１１４に接続されており、ピストン２４４はクランクシャフト１１４の回転にともなってシリンダ２４２内を上下に摺動する。
【００４３】
シリンダヘッド２３０には、燃焼室に吸入空気を取り入れるための吸気ポート２３３と、燃焼室内で発生した燃焼ガスを排出するための排気ポート２３５などが設けられている。図１に示した吸気通路１９０は吸気ポート２３３に接続され、排気通路１８０は排気ポート２３５に接続される。また、シリンダヘッド２３０には、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁１９２と、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ２３６と、吸気バルブ２３２と、排気バルブ２３４とが設けられている。吸気バルブ２３２および排気バルブ２３４は、それぞれにカム機構によって駆動され、ピストン２４４の動きに同期して吸気ポート２３３および排気ポート２３５を開閉する。また、それぞれのカム機構には、図示しない周知の可変機構が組み込まれており、吸気バルブ２３２および排気バルブ２３４の開閉時期を変更可能となっている。
【００４４】
ここで、エンジン１１０の動作について説明する。エンジン１１０は、燃焼室内に空気を吸い込んで混合気を形成する吸気行程と、燃焼室内で混合気を圧縮する圧縮行程と、圧縮した混合気を燃焼させて燃焼室内に発生した圧力を機械的仕事に変換する膨張行程と、燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気行程と、の４つの行程を繰り返しながら動力を出力する４サイクルエンジンである。もちろん、４サイクルエンジンに限らず、２サイクルなどの他の方式のエンジンを用いることも可能である。図６は、エンジン１１０が燃焼室内で混合気を燃焼させることによって動力を出力する様子を概念的に示した説明図である。図６（ａ）はエンジン１１０の吸気行程を表している。
【００４５】
図６（ａ）に示すように、吸気行程では、吸気バルブ２３２を開いた状態でピストン２４４を降下させることによって、燃焼室内に空気を吸入する。図６（ａ）中に実線で示した矢印は、吸気バルブ２３２から空気が燃焼室内に流入する様子を概念的に表している。また、燃料は吸気行程中に燃料噴射弁１９２から燃焼室内に直接噴射する。こうして吸気行程中に燃料を噴射してやれば、噴射した燃料の噴霧は、吸気バルブ２３２から流入してくる空気と混合しながら燃焼室内に流入し、更に、燃焼室内で攪拌されて、ピストン２４４が下死点に達する頃には、燃料と空気とがほぼ均一に混ざり合った混合気が形成される。
【００４６】
ピストン２４４が一番下まで下がりきったら、吸気バルブ２３２を閉じた後、ピストン２４４を上昇させて混合気を圧縮する。図６（ｂ）は、こうしてピストン２４４を上昇させることによって混合気を圧縮している様子を概念的に表している。エンジン１１０は、常用される所定の運転条件では、混合気を圧縮自着火させることによって燃焼させる。すなわち、ピストン２４４で圧縮するに伴って燃焼室内の混合気温度は次第に上昇していき、ピストンが上死点に達した付近でついには発火点を超えて自着火させることが可能である。図６（ｃ）は、こうしてピストンの上死点付近で、燃焼室内の混合気が自着火している様子を概念的に表している。ピストン２４４を上昇させるに連れて、混合気の温度はほぼ同時に上昇するから、燃焼室内の混合気はほぼ同時に自着火することになる。このようにして混合気を圧縮自着火燃焼させながら運転すると、排気ガスと共に排出される大気汚染物質の排出量や燃料消費量を大きく減少させることが可能なことが知られている。
【００４７】
また、混合気を圧縮自着火させない領域では、ピストン２４４が圧縮上死点に達する直前の所定のタイミングで、点火プラグ２３６から火花を飛ばすことによって燃焼室内の混合気に点火してやる。
【００４８】
図７は、エンジン１１０を圧縮自着火運転する場合に、ピストンの動きに同期させて吸気バルブ２３２および排気バルブ２３４を開閉するタイミング、および燃料噴射弁１９２から燃料を噴射するタイミングを示した説明図である。図中でＴＤＣはピストンが上死点にあるタイミングを示し、ＢＤＣはピストンが下死点にあるタイミングを示している。圧縮自着火運転する場合は、上死点を過ぎてしばらくしたタイミングで吸気バルブ２３２を開き、下死点を過ぎた直後のタイミングで閉じてやる。燃料は、吸気バルブ２３２を開いて程なくしたタイミングで噴射してやる。また、排気バルブ２３４は、ピストンが下死点に達する直前のタイミングで開き、上死点に達するよりかなり前のタイミングで閉じてやる。この様に排気バルブ２３４を早めに閉じてやり、また吸気バルブ２３２を遅めに開いてやれば、内部ＥＧＲが増加するので、燃焼室内の混合気を容易に圧縮自着火させることができる。
【００４９】
図８は、エンジンを火花点火運転する場合に、ピストンの動きに同期させて吸気バルブ２３２および排気バルブ２３４を開閉するタイミング、燃料を噴射するタイミング、点火プラグ２３６から火花を飛ばすタイミングを示した説明図である。火花点火運転する場合、吸気バルブ２３２は上死点の少し前のタイミングで開き、下死点を過ぎて程なくしたタイミングで閉じてやる。また、排気バルブ２３４は、下死点に達する前の所定のタイミングで開き、上死点を過ぎた直後のタイミングで閉じてやる。燃料は、吸気バルブ２３２が開いた後の所定のタイミングで燃焼室内に噴射する。また、上死点直前の所定のタイミングで、点火プラグ２３６から火花を飛ばすことによって混合気に点火する。
【００５０】
図７と図８とを比較すれば明らかなように、エンジン１１０を圧縮自着火運転する場合と、火花点火運転する場合とでは、吸気バルブ２３２を閉じるタイミングが違っているので、実質的な圧縮比が異なってくる。すなわち、ピストンが下死点を過ぎてしばらくしてから吸気バルブ２３２を閉じた場合は、一旦吸い込んだ空気が吸気バルブ２３２から逆流するので、実質的な圧縮比は、機械的な圧縮比よりも低くなる。これに対して、吸気バルブ２３２を下死点付近で閉じた場合は、実質的な圧縮比は機械的な圧縮比とほぼ等しくなる。従って、圧縮自着火運転する場合（図７に対応）は、火花点火運転する場合（図８に対応）よりも、実質的な圧縮比が高くなっている。このため、燃焼室内の混合気を確実に圧縮自着火させることが可能となっている。逆に、火花点火運転する場合には、実質的な圧縮比が低くなっているので、ピストン２４４による圧縮中に混合気が自着火してしまうことを回避することが可能となっている。
【００５１】
図９は、エンジン１１０を圧縮自着火運転する条件と、火花点火運転する条件との関係を示した説明図である。エンジン１１０の運転条件を、エンジン回転速度とスロットルバルブ１８６の開度（スロットル開度）とによって表現した場合、図中にハッチングを付した領域では混合気を圧縮自着火させて運転し、それ以外の運転条件では火花を飛ばして点火しながら運転する。すなわち、エンジン回転速度が極めて低い場合や、スロットル開度が小さい場合あるいは大きい場合は火花点火運転し、それ以外の運転条件では圧縮自着火運転する。図１に示したエンジンＥＣＵ１１２のＲＡＭには、図９に示すようなマップが予め記憶されており、エンジンＥＣＵ１１２はかかるマップの設定に基づいて、エンジンの運転状態を制御している。
【００５２】
Ｂ．エンジンの始動制御：
通常の車両では、エンジン１１０は車両の走行開始時に１回だけ始動され、走行終了後に１回だけ停止されることが普通であるのに対し、ハイブリッド車両１００では、車両の運転状態に合わせて車両の走行中にも始動と停止とが頻繁に行われる。従って、ハイブリッド車両１００では、大気汚染物質の排出量や燃料消費量をできるだけ増加させることなくエンジンを始動させる必要がある。
【００５３】
エンジンの始動はスロットルバルブを閉じた状態で行われるから、通常、エンジンは火花点火運転されながら始動される。しかし、ハイブリッド車両１００では、大気汚染物質の排出量および燃料消費量をできるだけ増加させることなく始動する必要があるから、エンジン１１０を圧縮自着火運転しながら始動することが好ましい。
【００５４】
とは言え、吸気バルブ２３２、排気バルブ２３４、燃料噴射弁１９２、あるいは点火プラグ２３６の駆動タイミングの設定を、図７、図８に示すように変更しただけでは、エンジンを圧縮自着火させて始動させることはできない。これは、次の理由による。エンジンの始動時は、エンジンの回転速度がたいへん遅く、燃焼室内に空気が流入するための時間が十分にあるために、燃焼室内には多量の空気が流入している。すなわち、エンジン始動時は、スロットルバルブが閉じられているにもかかわらず、燃焼室内に多量の空気が流入するために、高負荷運転条件時と同様にノックが発生してしまうので、圧縮自着火させながら始動させることが困難となっているのである。
【００５５】
そこで、本実施例では、ノックを発生させることなくエンジン１１０を圧縮自着火運転しながら始動させるために、次のような始動制御を行う。
【００５６】
図１０は、エンジン１１０を始動させる制御の流れを示したフローチャートである。かかる処理は、ハイブリッドＥＣＵ１６０によって、エンジン１１０の始動を要すると判断された場合に起動され、ハイブリッドＥＣＵ１６０、エンジンＥＣＵ１１２、モータＥＣＵ１５６がそれぞれ協働することによって実行される。以下、図１０のフローチャートに従って説明する。
【００５７】
エンジン始動ルーチンを開始すると、先ず初めに、ＭＧ１の回転速度を正回転方向に増速させる処理を開始する（ステップＳ２００）。すなわち、図３の共線図を用いて前述したように、エンジン１１０の停止中は、サンギア軸１４１に接続されたＭＧ１は負の方向に回転しているので、これを図２の共線図に示す状態に近づけていくのである。具体的には、負の方向に回転しているＭＧ１の回転速度を次第に小さくして行き、速度が０になったら、今度は、少しずつ正の方向に増速していく。こうすれば、止まっていたプラネタリキャリア１４６が少しずつ正方向に回転し始め、これに伴ってエンジン１１０の回転速度が次第に増加していく。
【００５８】
次いで、エンジン１１０の水温が設定水温より高いか否かを判断する（ステップＳ２０２）。エンジン水温は、水温センサ１８２を用いて検出することができる。エンジン水温が設定水温よりも高い場合は（ステップＳ２０２：ｙｅｓ）、エンジン１１０を圧縮自着火運転させながら始動するための制御を開始する。そうでない場合は（ステップＳ２０２：ｎｏ）、火花点火運転させながら始動するための制御を開始する。先ず、圧縮自着火運転させながら始動させる場合について説明する。
【００５９】
ステップＳ２０２においてエンジン水温が設定水温よりも高いと判断された場合は、エンジン１１０の回転速度Ｎe が第１の閾値回転速度Ｎth1 に達したか否かを判断する（ステップＳ２０４）。エンジン１１０の回転速度は、クランク角度センサ１１８の出力に基づいて算出することができる。そして、エンジンの回転速度が第１の閾値回転速度Ｎth1 に達していない場合は（ステップＳ２０４：ｎｏ）、エンジンの回転速度が上昇するまで待機する。図９に示すように、第１の閾値回転速度Ｎth1 は、エンジン１１０を圧縮自着火運転可能な回転速度に設定されている。そして、第１の閾値回転速度Ｎth1 に達したことを確認したら（ステップＳ２０４：ｙｅｓ）、スロットルバルブ１８６の開度と、吸気バルブ２３２および排気バルブ２３４の開閉タイミングを、圧縮自着火運転しながらエンジン１１０を始動させるための設定に変更し（ステップＳ２０６）、図７に示した所定のタイミングで燃料を噴射してエンジンを始動させる（ステップＳ２０８）。
【００６０】
一方、ステップＳ２０２においてエンジン水温が設定水温に達していないと判断された場合（ステップＳ２０２：ｎｏ）は、エンジン１１０の回転速度Ｎe が第２の閾値回転速度Ｎth2 に達したか否かを判断する（ステップＳ２１０）。図９に示すように、第２の閾値回転速度Ｎth2 は第１の閾値回転速度Ｎth1 よりも小さな値に設定されている。第２の閾値回転速度Ｎth2 は、通常のエンジンを始動させるときのクランキング回転速度と同程度の回転速度に設定することができる。そして、エンジンの回転速度が第２の閾値回転速度Ｎth2 に達していない場合は（ステップＳ２１０：ｎｏ）、エンジンの回転速度が上昇するまで待機する。第２の閾値回転速度Ｎth2 に達したことを確認したら（ステップＳ２１０：ｙｅｓ）、スロットルバルブ１８６の開度と、吸気バルブ２３２および排気バルブ２３４の開閉タイミングを、火花点火運転しながらエンジン１１０を始動させるための設定に変更し（ステップＳ２１２）、図８に示した所定のタイミングで燃料を噴射した後、点火プラグ２３６から火花を飛ばして混合気に点火することによりエンジンを始動させる（ステップＳ２１４）。
【００６１】
以上のようにしてエンジン１１０を始動すると、エンジン１１０の回転速度が上昇し始め、またエンジン１１０からトルクが出力されるので、この影響が車軸１７０側に伝わらないように、ＭＧ１の回転速度および出力トルクを修正する（ステップＳ２１６）。こうして、エンジン１１０の始動を完了したら、図１０に示したエンジン始動ルーチンを終了する。
【００６２】
エンジンの回転速度が第２の閾値回転速度Ｎth2 で回転しているときには、燃焼室内に空気が流入するための十分な時間があるので、燃焼室内の状態は、ちょうど図９中に破線の丸印で示したように、高負荷条件時に近い状態となっている。このため、圧縮自着火させながらエンジン１１０を始動させようとすると、ノックが発生してしまうが、エンジン１１０の回転速度を第１の閾値回転速度Ｎth1 まで上昇させておけば、図９中に矢印で示したように、燃焼室内の状態を圧縮自着火運転に適した状態とすることができるので、圧縮自着火させながら始動させても、ノックを起こさせることなくエンジンを始動させることが可能となる。
【００６３】
図１１は、図１０に示したエンジン始動ルーチンに従って、エンジン１１０を圧縮自着火させながら始動している様子を概念的に示した説明図である。前述したように、エンジン１１０の停止中は、ＭＧ１は負の方向に回転している。また、エンジン１１０のスロットル開度および燃料噴射量は、いずれも０となっている。
【００６４】
図１０の始動制御を開始すると、ＭＧ１の回転速度が正方向に少しずつ増加し、これに伴ってエンジン１１０の回転速度Ｎe が次第に増加していく。そして、回転速度Ｎe が第１の閾値回転速度Ｎth1 に達したら、スロットル開度を予め設定されている開度まで速やかに増加させ、所定量の燃料を噴射する。こうすることによって、エンジン１１０の燃焼室内では混合気が圧縮自着火する。尚、エンジンの始動をより容易にするために、燃料噴射開始直後は、噴射する燃料量を増加させてやることとしても良い。こうして混合気を燃焼させると、エンジンの回転速度Ｎe が増加していき、やがて安定した速度で回転し始めて始動が完了する。こうしたエンジン回転速度の変動や出力トルクの変動が車軸に影響しないように、ＭＧ１は回転速度と出力トルクを修正する。こうすれば、エンジン１１０をノックさせることなく圧縮自着火させながら始動することができる。従って、火花点火運転しながら始動する場合に比べて、ハイブリッド車両から排出される大気汚染物質や燃料消費量を大きく減少させることが可能となる。
【００６５】
以上、各種の実施例について説明してきたが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することができる。例えば、上述した実施例では、ハイブリッド車両は、プラネタリギアを用いたいわゆる機械分配式のハイブリッド車両であるものとしたが、電気分配式のハイブリッド車両など、周知の方式の種々のハイブリッド車両に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例のハイブリッド車両の構成を示す説明図である。
【図２】エンジンが出力する動力と２つのモータ・ジェネレータで発生する動力との関係を示す共線図である。
【図３】エンジン始動時におけるエンジンと２つのモータ・ジェネレータとの関係を示す共線図である。
【図４】ハイブリッド車両の運転制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。
【図５】エンジンの構造を概念的に示す説明図である。
【図６】燃焼室内で混合気を圧縮自着火させながらエンジンを運転する様子を概念的に示した説明図である。
【図７】エンジンを圧縮自着火運転しているときのバルブタイミングおよび燃料噴射タイミングを例示した説明図である。
【図８】エンジンを火花点火運転しているときのバルブタイミング、燃料噴射タイミング、および点火タイミングを例示した説明図である。
【図９】エンジンを火花点火運転する運転条件と、圧縮自着火運転する運転条件とが設定されている様子を概念的に示した説明図である。
【図１０】エンジンを始動させる処理の流れを示したフローチャートである。
【図１１】エンジンを始動させる様子を概念的に示した説明図である。
【符号の説明】
１００…ハイブリッド車両
１１０…エンジン
１１２…エンジンＥＣＵ
１１４…クランクシャフト
１１８…クランク角度センサ
１２０…モータ・ジェネレータＭＧ１
１２２…永久磁石
１２３…ロータ
１２４…三相コイル
１２５…ステータ
１２６…レゾルバ
１３０…モータ・ジェネレータＭＧ２
１３２…永久磁石
１３３…ロータ
１３４…三相コイル
１３５…ステータ
１３６…レゾルバ
１３８…ケース
１４０…プラネタリギア
１４１…サンギア軸
１４２…サンギア
１４４…プラネタリピニオンギア
１４６…プラネタリキャリア
１４７…リングギア軸
１４８…リングギア
１５０…バッテリ
１５２…インバータ
１５４…インバータ
１５６…モータＥＣＵ
１６０…ハイブリッドＥＣＵ
１６２…アクセルポジションセンサ
１６４…ブレーキスイッチ
１７０…車軸
１７２…駆動輪
１７４…チェーンベルト
１８０…排気通路
１８２…水温センサ
１８６…スロットルバルブ
１８８…電動アクチュエータ
１９０…吸気通路
１９２…燃料噴射弁
１９６…エアクリーナ
２００…浄化触媒
２３０…シリンダヘッド
２３２…吸気バルブ
２３３…吸気ポート
２３４…排気バルブ
２３５…排気ポート
２３６…点火プラグ
２４０…シリンダブロック
２４２…シリンダ
２４４…ピストン
２４６…コネクティングロッド
Claims (4)
- 動力源として内燃機関と電動機とを搭載したハイブリッド車両であって、
前記ハイブリッド車両の運転条件を検出し、前記内燃機関および前記電動機がそれぞれに分担する動力を、前記検出した運転条件に基づき決定することによって前記ハイブリッド車両の運転状態を制御する車両制御手段と、
前記決定した動力の分担に基づいて、前記内燃機関の始動の要否を判断する始動要否判断手段と、
前記内燃機関を火花点火運転または圧縮自着火運転のいずれの運転方法によって始動させるか判定する判定手段と、
前記内燃機関を火花点火運転によって始動させるための第１の機関回転速度と、前記内燃機関を圧縮自着火運転によって始動させるための機関回転速度であって前記第１の機関回転速度よりも高い第２の機関回転速度とを記憶する記憶手段と、
前記内燃機関を圧縮自着火運転によって始動させると判定された場合には、前記電動機によって、前記内燃機関の機関回転速度を前記第２の機関回転速度まで上昇させる機関回転速度上昇手段とを備えるハイブリッド車両。 - 請求項１記載のハイブリッド車両であって、
前記機関回転速度上昇手段は、前記内燃機関を火花点火運転によって始動させると判定された場合には、前記電動機によって、前記内燃機関の機関回転速度を前記第１の機関回転速度まで上昇させるハイブリッド車両。 - 請求項１または請求項２記載のハイブリッド車両であって、
前記内燃機関は、前記内燃機関の吸気弁および排気弁の開閉時期を制御する開閉時期可変機構を備えており、
前記ハイブリッド車両はさらに、前記内燃機関の運転方法が前記火花点火運転あるいは前記圧縮自着火運転のいずれかに応じて、前記開閉時期可変機構の設定を切り換える開閉時期切換手段を備えているハイブリッド車両。 - 請求項１または請求項２記載のハイブリッド車両であって、
前記内燃機関は、前記内燃機関の吸入空気量を制御する吸気量可変機構を備えており、
前記ハイブリッド車両はさらに、前記内燃機関の運転方法が前記火花点火運転あるいは前記圧縮自着火運転のいずれかに応じて、前記吸気量可変機構の設定を切り換える吸気量切換手段を備えているハイブリッド車両。
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