JP3915809B2 - リーンリミットを低電力消費にて達成するハイブリッド車 - Google Patents

リーンリミットを低電力消費にて達成するハイブリッド車 Download PDF

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Description

本発明は、車輌を理論空燃比より高い空燃比にてリーン運転することに係り、特にバッテリ電力の消費をよりよく抑えつつ安定してリーンリミット運転することのできる車輌に係る。
エンジンは理論空燃比より高い空燃比にてリーン運転されることによりその燃費が向上することが知られている。燃費は、空燃比が理論空燃比より増大されるにつれて、当初、次第に向上するが、しかし、空燃比があまり増大されると、トルク変動が大きくなってエンジンの回転が不安定となり、また燃費も却って悪化し始める。エンジンのトルク変動を許容限度内に抑えて燃費の向上を計る空燃比増大の限界がリーンリミットと称されており、エンジンをリーンリミットにて運転することについて種々の技術が提案されている。
下記の特許文献１には、電気自動車に於ける発電用エンジンを作動させるに当って、発電機の出力からエンジンのトルク変動を検出し、それがエンジン空燃比のリーンリミットに対応する変動値以下であるか否かを見定めつつ、エンジン空燃比をリーンリミットまで増大させることが記載されている。また下記の特許文献２には、車輌用リーンバーンエンジンの運転制御として、エンジンの燃焼圧を検出し、その変動が所定のリーンリミットに対応する所定値を越えたときには電動機によりエンジンのトルク変動を抑制することが記載されている。また下記の特許文献３には、ガスを燃料とするエンジンに於いて、エンジン回転数を目標回転数に追従させ、エンジン回転数が目標回転数に一致したときには混合気の空燃比をリーン化するようガスの流路断面積を調節してエンジン運転のリーン化を図り、それによって生ずるエンジン回転数の低下をスロットル開度の調節により補償することが記載されている。また下記の特許文献４には、リーンバーンエンジンと無段変速機とを備えた車輌に於いて、車輌の運転状態に応じてエンジン回転数が所定の目標回転数となるよう無段変速機を制御し、その際目標エンジン回転数としてリーンリミット内にある回転数を設定することが記載されている。
特許第３２８９３６１号 特許第３３０７０１５号 実公平７-４１８８０ 特許第３２８６５１７号
本件出願人が現在採用しているハイブリッド車の駆動システムとして、エンジンと第一の電動発電機と駆動輪とが差動連結手段を介して相互に連結され、第二の電動発電機が別途駆動輪に連結されているものがある。かかる駆動システムをリーンリミットにて運転するには、駆動輪を安定したトルク支持部材として前記第一の電動発電機によりエンジンのトルク変動を検出し、エンジントルク変動が所定の限界値を越えたときには、それを前記第二の電動発電機により打ち消すことによってリーンリミットを極めるのが便利であり、また事実そのようにされている。
しかし、リーンリミット近傍に於けるエンジントルクの変動は、エンジントルクが間歇的に不足する変動であり、上記の第二電動発電機によるエンジントルク変動の打ち消しは、第二電動発電機を電動機として作動させる操作であって、バッテリの電力を消費する操作である。また、エンジンは、リーン運転される場合にも、その始動の当初からリーン運転はできず、常に一先ず理論空燃比またはそれより空燃比の低いリッチ状態にて始動され、エンジンの暖機がある程度以上進行し、その回転が安定したところを待って、空燃比を次第に増大させることによりリーン運転へ移行されなければならないが、エンジントルクは空燃比の増大に応じて低下するので、エンジン運転をリーンリミットへ近づける際の前記第二電動発電機の作動も電動機としての作動であり、バッテリの電力を消費する作動である。
ところで、車輌がエンジンにより一定の走行状態に安定して駆動されているとすれば、それは車輌がエンジンより一定の出力（パワー）を受けているということである。エンジンの出力はトルクと回転数の積であるので、エンジンのトルクが下がる場合、それに対応してエンジンの回転数が上げられれば、エンジン出力を一定に保つことができる。従って、車輌がエンジンと電動発電機と駆動輪とを差動連結手段を介して相互に連結した駆動システムを有していれば、リーン運転領域にてエンジントルクが間歇的に低下したり或いはエンジン運転をリーンリミットへ近づける際トルクが次第に低下するとき、それを、前記第二の電動発電機の如き手段にて補わなくても、エンジン回転数を上げることにより、駆動輪の回転速度を変えることなく、補うことができる筈である。
本発明は、上記の着想に基づき、バッテリの電力消費をよりよく抑えてエンジンをリーンリミット運転することができるハイブリッド車を提供することを課題としている。
上記の課題を解決するものとして、本発明は、エンジンと電動発電機と駆動輪とが差動連結手段を介して相互に連結されているハイブリッド車にして、エンジントルク変動が所定の第一の限界値以下であるときには、リーン度を少しずつ増大させると同時にエンジン回転数を少しずつ増大させ、リーンリミット近傍に於けるエンジントルクの減増をそれに対応するエンジン回転数の増減と前記電動発電機の回転数の減増により相殺するようになっていることを特徴とするハイブリッド車を提案するものである。尚、ここで、エンジントルクの「減増」にエンジン回転数の「増減」と電動発電機回転数の「減増」が対応するとは、エンジントルクの減小にエンジン回転数の増大と電動発電機回転数の減小とが対応し、エンジントルクの増大にエンジン回転数の減小と電動発電機回転数の増大が対応することを意味する。
上記の本発明によるハイブリッド車は、エンジントルク変動が前記第一の限界値より高い所定の第二の限界値以上であるときには、リーン度を少しずつ減小させると同時にエンジン回転数を少しずつ減小させるようになっていてよい。
上記の如くエンジントルク変動が前記第一の限界値以下であるときリーン度を少しずつ増大させると同時にエンジン回転数を少しずつ増大させることは、アクセル開度の変化率が所定の限界内にあることを条件として行われるようになっていてよい。
また、エンジントルク変動が前記第一の限界値以下であることは、所定の微小時間内のエンジントルク変動幅の絶対値を所定の検定時間に亙って積算した値が所定の限界値以下であることによって判断されるようになっていてよい。
上記の通り、エンジンのトルクが下がっても、それに対応してエンジンの回転数が上げられれば、エンジン出力を一定に保つことができる。一方、エンジンと電動発電機と駆動輪とが差動連結手段を介して相互に連結されていれば、エンジン回転数を増大させることに対応して電動発電機の回転数を減小させることにより、駆動輪の回転数を一定に保ってエンジン回転数を増大させることができる。従って、エンジンがリーンリミット近傍にて運転され、或いはリーンリミットへ近づけられることにより、エンジンの運転が不安定となってエンジン出力トルクが低下しても、それに対応してエンジン回転数を上げる手法により、バッテリに依存してトルクを補わなくても、駆動輪に対する駆動状態を一定に維持することができる。
この場合、エンジントルク変動が所定の第一の限界値以下であるときには、リーン度を少しずつ増大させると同時にエンジン回転数を少しずつ増大させることにより、エンジントルク変動の限界を該第一の限界値とするリーンリミット運転を達成することができる。また、更に、エンジントルク変動が前記第一の限界値より高い所定の第二の限界値以上であるときには、リーン度を少しずつ減小させると同時にエンジン回転数を少しずつ減小させれば、何らかの外乱により空燃比がリーンリミットを越えて行き過ぎることがあっても、空燃比をリーンリミット以下に引き戻すことができ、その際、前記第二の限界値を前記第一の限界値より高くする度合を適当に選定することにより、適度のヒステリシスをもってリーンリミットに沿ったリーン運転を達成することができる。
尚、後述の実施の形態の例に於いても説明される通り、この種の漸進制御はマイクロコンピュータにより数１０ミリセカンド〜数１００ミリセカンドの周期にて演算を繰り返すフロー制御により実行され得るので、上記の如くリーン度を少しずつ増大させると同時にエンジン回転数を少しずつ増大させ、或は逆にリーン度を少しずつ減小させると同時にエンジン回転数を少しずつ減小させるような漸進制御によって、エンジン運転を理論空燃比領域からリーンリミットへ向けて移行させるだけでなく、リーンリミット領域での運転中に於けるエンジントルク変動も抑制することができる。
また、エンジントルク変動が前記第一の限界値以下であるときリーン度を少しずつ増大させると同時にエンジン回転数を少しずつ増大させることが、アクセル開度の変化率が所定の限界内にあることを条件として行われるようになっていれば、リーンリミット運転をエンジンに対する出力要求がある程度以上安定している車輌運転時に限定し、エンジンのリーンリミット運転により車輌の安定走行が不用意に損なわれることを回避して燃費改善効果を得ることができる。
図１は本発明によるハイブリッド車をその駆動システムの部分について示す概略図である。但し、本発明の要部は駆動システムを制御する制御部にソフトウェア的に組み込まれており、図１に現れている外観構造に関する限り、それは既に公知のものである。図に於いて、１０はこの例では４気筒エンジンであり、その出力軸（クランク軸）１２は遊星歯車装置１４の３つの回転要素の一つに連結されている。遊星歯車機構１４の他の二つの回転要素の各々には第一の電動発電機（ＭＧ１）１６と第二の電動発電機（ＭＧ２）１８が連結されており、遊星歯車装置１４と電動発電機１８の連結軸上に歯車２０が設けられ、これと噛み合った歯車２２が差動歯車装置２４と車軸２６、２８を経て一対の駆動輪３０、３２を駆動するようになっている。かくしてエンジン１０と電動発電機１６と駆動輪と３０、３２とは遊星歯車装置１４なる差動連結手段を介して相互に連結されている。電動発電機１６および電動発電機１８はインバータ３４を経てバッテリ３６と電気的に接続されており、いずれも車輌の運転状態に応じてバッテリ３６より電流を供給され或はバッテリ(Ｂ)３６を充電するようになっている。
エンジン１０、電動発電機１６、電動発電機１８、インバータ３４は、コンピュータを備えた電子式制御装置（ＥＣＵ）３８によりその作動を制御されようになっている。電子式制御装置３８には、アクセル開度を含むエンジン１０の運転状態に関する信号、エンジン１０が遊星歯車装置１４を経て車輪を駆動する際に電動発電機１６が受け持つ反力から得られるエンジン出力トルクに関する信号、バッテリ３６の充電状態に関する信号、その他の車輌運転制御に必要な種々の信号Ｉが供給されるようになっており、電子式制御装置３８はそれらの信号に基づいてそこに組み込まれた制御プログラムに従って制御演算を行い、エンジン１０、電動発電機１６、電動発電機１８、インバータ３４の作動を制御するようになっている。本発明に係るエンジンのリーンリミット運転制御は、図２にフローチャートとして例示されている要領にて行なわれる。
図２に示す如きフローチャートによる制御は、車輌のイグニションスイッチが閉じられ、車輌の運転が開始されると同時に開始され、車輌の運転中、上記の通りマイクロコンピュータにより数１０ミリセカンド〜数１００ミリセカンドの周期にて繰り返される。
制御が開始されると、ステップ１０にてアクセル開度変化率の絶対値が或る所定の限界値ΔＡccより小さいか否かが判断される。答がイエスであれば、制御はステップ２０へ進み、カウント値Ｎが制御の当初に０にリセットされた状態から始まって１ずつ増大される。尚、答がノーであるときには、制御はステップ３０へ進み、カウント値Ｎを０にリセットし、本発明による制御は行われないか、或いは以下に説明されるステップによる制御が途中まで進行していても中止される。
ステップ４０に於いては、今回のＮ番目のフロー制御に於ける電動発電機ＭＧ１のトルク変動量ΔＴmg１(Ｎ)が、今回のＮ番目のフロー制御に於ける電動発電機ＭＧ１のトルクＴmg１(Ｎ)と前回のＮ−１番目のフロー制御に於ける電動発電機ＭＧ１のトルクＴmg１(Ｎ−１)の差の絶対値として算出される。電動発電機ＭＧ１のトルク変動量は、電動発電機ＭＧ２のトルクが一定に保たれていれば、数１０ミリセカンド〜数１００ミリセカンド程度の周期内に於ける車速は一定と見做してよいので、エンジン出力トルクの変動量に対応する。
次いで、ステップ５０に於いて、毎回の電動発電機ＭＧ１のトルク変動量ΔＴmg１(Ｎ)を順次積算して積算値Ｑtfが算出される。
次いで、ステップ６０に於いて、カウント値Ｎが所定の限界値Ｎcに達したか否かが判断される。答がノーである間、制御はこれよりステップ１０へ戻り、上記の各ステップによるフロー演算が繰り返される。フロー演算回数が所定の回数に達し、ステップ６０の答がイエスに転ずると、制御はステップ７０へ進む。
ステップ７０に於いては、上記の積算値Ｑtfが所定の限界値Ｑtfc以下であるか否かが判断される。限界値Ｑtfcは、積算値Ｑtfがこれ以下ならばエンジン運転のリーン度を更に上げてよい目安となる値である。答がイエスとときには、制御はステップ８０へ進み、エンジンのリーン運転の度合いを示すリーン度Ｋleanが所定の増分ΔＫlだけ増大される。リーン度Ｋleanは電子式制御装置３８によるエンジンのリーン運転の目標値であり、これを目標値として、別途、電子式制御装置３８に組み込まれたエンジンのリーン運転制御プログラムによりエンジンの空燃比が制御される。
そして、更にステップ９０に於いて、目標エンジン回転数Ｎetが、リーン度Ｋleanとリーン度増分ΔＫlの関数として適当に定められた増分ｆ(Ｋlean，ΔＫl)だけ増大される。エンジン回転数は、別途、電子式制御装置３８に組み込まれたエンジン回転数制御プログラムにより制御されるが、特にこの場合、本発明に於けるエンジン回転数制御は、Ｎetを目標値として、電動発電機ＭＧ１の回転数制御により制御される。
図３は、電動発電機ＭＧ１の回転数制御によるエンジン回転数制御の要領をエンジン回転数とエンジントルクをパラメータとする座標系に於いて示すグラフである。今、同グラフ上で見て、エンジン出力がＰ１であるａ点にてエンジンが運転されているとき、そのリーン度が高められ、即ち、空燃比が増大されることにより、そのままではエンジントルクが低下してエンジンの運転点はエンジン出力がＰ１より小さい等出力線Ｐ２上のｂ点へ遷移するとする。しかし、このときリーン度が高められと同時にエンジン回転数が適当に増大されると、エンジンはリーン度が増大されても等出力線Ｐ１に沿ってｃ点へ遷移する。こうして、車速一定の下で、エンジン出力を一定に保ったまま、そのリーン度を上げることができる。
図２に戻って見ると、ステップ７０の答がノーであるときには、制御はステップ１００へ進み、積算値Ｑtfが上記の限界値Ｑtfcよりある僅かな値ΔＱtfを越えて大きいか否かが判断される。ΔＱtfはこの種の限界制御のハンチングを避けるためのヒステリシスの量である。そして、答がノーであれば、制御はそのままとされるが、答がイエスであれば、制御はステップ１１０へ進み、逆にリーン度を或る僅かな減分値ΔＫ２だけ下げることが行われ、またこのときには、更にステップ１２０に於いて、目標エンジン回転数Ｎetをリーン度Ｋleanとリーン度減分ΔＫ２の関数として適当に定められた減分ｆ(Ｋlean，ΔＫ２)だけ減小させることがおこなわれる。こうして何らかの外乱により空燃比がリーンリミットを越えて行き過ぎることがあっても、空燃比はリーンリミット以下に引き戻される。
以上に於いては本発明を一つの実施の形態について詳細に説明したが、かかる実施の形態について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
本発明によるハイブリッド車をその駆動システムの部分について示す概略図。 本発明によるエンジンのリーンリミット運転制御の例を示すフローチャート。 エンジントルクの低下に対するエンジン回転数増大制御の要領を示すグラフ。
符号の説明
１０…エンジン、１２…エンジン出力軸、１４…遊星歯車装置、１６…第一の電動発電機（ＭＧ１）、１８…第二の電動発電機（ＭＧ２）、２０，２２…歯車、２４…差動歯車装置、２６，２８…車軸、３０，３２…駆動輪、３４…インバータ、３６…バッテリ、３８…電子式制御装置（ＥＣＵ）

Claims (4)

  1. エンジンと電動発電機と駆動輪とが差動連結手段を介して相互に連結されているハイブリッド車にして、エンジントルク変動が所定の第一の限界値以下であるときには、リーン度を少しずつ増大させると同時にエンジン回転数を少しずつ増大させ、リーンリミット近傍に於けるエンジントルクの減増をそれに対応するエンジン回転数の増減と前記電動発電機の回転数の減増により相殺するようになっていることを特徴とするハイブリッド車。
  2. エンジントルク変動が前記第一の限界値より高い所定の第二の限界値以上であるときには、リーン度を少しずつ減小させると同時にエンジン回転数を少しずつ減小させるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車。
  3. エンジントルク変動が前記第一の限界値以下であるときリーン度を少しずつ増大させると同時にエンジン回転数を少しずつ増大させることは、アクセル開度の変化率が所定の限界内にあることを条件として行われるようになってい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。
  4. エンジントルク変動が前記第一の限界値以下であることは、所定の微小時間内のエンジントルク変動幅の絶対値を所定の検定時間に亙って積算した値が所定の限界値以下であることによって判断されるようになっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のハイブリッド車。
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