JP4854545B2 - ハイブリッドエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッドエンジンに関し、特に、回生運転時の効率を向上させる構成に関するものである。

従来、内燃機関と電動機とを組み合わせたハイブリッドエンジンを搭載した車両において、ハイブリッドエンジンの燃料カット制御時であって、ブレーキ操作により減速した際には、電動機を発電機として回生運転させるとともに内燃機関にはエンジンブレーキを機能させる。この場合に、エンジンブレーキにより内燃機関に生じるポンピングロスに起因して回生効率が低下するとともに乗り心地も悪くなることがある。このような事情に鑑みて、ポンピングロスによるショックを低減するとともに燃費の向上を図るために、内燃機関の吸気弁と排気弁とを常時開くように構成したものが知られている（例えば、特許文献１）。
特開平１０−２２３９号公報

ところが、このような構成のものであると、ブレーキ操作による減速走行時には、吸気ポートからシリンダ内に流れ込んだ外気がほぼそのままの状態で触媒に到達することがある。つまり減速走行時における走行風により、シリンダ内に外気が送り込まれ、排気弁が常時開いているために外気が触媒に到達し得る状態になるものである。

この結果、外気により触媒が冷却され、燃料カット復帰時の内燃機関始動時に排気ガスの浄化率が低下する。また外気がシリンダに流れ込んでいるので、シリンダ内の温度が低下し、内燃機関の始動時の着火性をも低下させるものである。

これに加えて、吸気弁と排気弁とを常時開いた状態に制御するには、それらの動弁系が複雑になる。つまり、動弁系をカムやカムシャフトなどを含む機構により実現すると、内燃機関を通常運転する場合の吸排気弁制御と、減速運転する場合の常時開弁制御とで、制御自体を切り替える必要がある。このため、通常の内燃機関とは異なり、常時開弁状態になるような機構及び制御を切り替えるための機構を追加しなければならず、動弁系が複雑になるものである。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明のハイブリッドエンジンは、複数気筒の内燃機関と電動機とを組み合わせたものであって、内燃機関が、各気筒において、吸気弁及び排気弁とは別に、ピストンが上死点に達している際のピストン頂面の位置よりも上に設けてなる連通孔と、それぞれの連通孔を介して気体が流通するように各気筒を接続する接続管路と、接続管路の気体の流通を制御する流通制御手段とを備えてなり、流通制御手段は、減速時に電動機を回生運転する場合に接続管路を介して気体を各気筒に流通させるとともに、回生運転以外の電動機の運転状態の場合には接続管路を介しての気体の流通を阻止する開閉弁を具備し、吸気弁及び排気弁から独立している前記開閉弁がほぼ同時に開閉されることを特徴とする。

このような構成によれば、減速時において、流通制御手段が、接続管路を介して気体を各気筒に流通させるので、上死点に向かうピストンにより圧縮される気体が下死点に向かって移動する気筒に流れ込む。このため、減速時の内燃機関のポンピングロスが低減され、車輪からの回転駆動力が電動機に伝達されて、効率よく電動機が回生運転される。また、連通孔が上死点に達している際のピストン頂面の位置よりも上に設けてあるので、ピストンにより圧縮される容積が最少となるので、上記ポンピングロスが低減される。

加えて、減速時における内燃機関の吸排気弁の制御は、通常運転時の制御から変更する必要がなく、減速時に常時両者が開いているものに比較して、吸気弁の開時間が短いので、シリンダへの外気の導入量が減少する。したがって、シリンダ内の温度の低下及び触媒の冷却を抑制でき、再始動性の低下を防止するとともに触媒の浄化効率の低下を防止する。

簡潔な構造にするためには、流通制御手段が、気筒間の気体の流通を阻止する開閉弁を備え、開閉弁がほぼ同時に開閉されるものが好ましい。

本発明は、以上説明したような構成であり、減速時の内燃機関のポンピングロスが低減され、車輪からの回転駆動力が電動機に伝達されて、電動機の回生運転の効率を高くすることができる。また、連通孔が上死点に達している際のピストン頂面の位置よりも上に設けてあるので、ピストンにより圧縮される容積が最少となり、上記ポンピングロスを低減することができる。

加えて、減速時における内燃機関の吸排気弁の制御は、通常運転時の制御から変更する必要がなく、減速時に常時両者が開いているものに比較して、シリンダへの外気の導入量が減少することから、シリンダ内の温度の低下及び触媒の冷却を抑制でき、再始動性の低下を防止するとともに触媒の浄化効率の低下を防止することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜４を参照して説明する。

この実施形態のハイブリッドエンジン（以下、エンジンと称する）１は、三気筒の内燃機関２と、内燃機関２の駆動力を補助して発電機としても機能する電動機３とを備えて、車両、例えば自動車に搭載されるものである。

内燃機関２は、吸気系にエアフィルタが取り付けられ、排気系に触媒を有し、さらにそれぞれの気筒において少なくとも対をなす吸気弁４と排気弁５とを備え、燃料の供給を燃料噴射弁により行う型式のものであれば、燃料の種類を問わない。そして、自動車がブレーキ操作により減速走行状態になり、内燃機関２及び／又は自動車の運転状態が所定の条件を満たす場合、例えば、機関回転数が所定回転数以下になる、あるいは機関回転数が所定回転数以下になるとともに、車速が所定車速以下になる場合、燃料の供給を停止するように燃料噴射弁が制御される型式のものである。

内燃機関２はさらに、それぞれのシリンダ６において、ピストン７が上死点に達している際のピストン頂面７ａの位置よりも上のシリンダヘッドの部位に連通孔８を備えている。それぞれの連通孔８は、その連通孔８を開閉する開閉弁９を備え、気体が流通する管路である接続管路１０により相互に接続されている。流通制御手段を構成する開閉弁９は、常時は連通孔８を閉じているもので、減速時にモータ１１により回転されるカム１２により、全数がほぼ同時に全開にされるものである。開閉弁９以外に、接続管路１０、モータ１１、回転軸１２ａ、カム１２ｂ及び以下に説明する電子制御装置１３が、流通制御手段を構成する。なお、このようにモータ１１により開閉弁９を開弁するものでは、開閉弁９の開度を回転角度により制御して、エンジンブレーキにおけるトルク量を制御するように構成するものであってもよい。

モータ１１は、電子制御装置１３により制御する。電子制御装置１３は、マイクロコンピュータシステムを主体に構成されおり、モータ１１の他に、燃料噴射量を含む内燃機関２の種々の運転状態を制御するものである。電子制御装置１３には、アクセルセンサ、ブレーキ油圧センサ、エンジン回転センサ、車速センサ、充電容量センサなどが電気的に接続される。また、電子制御装置１３には、電動機３を制御するための電動機制御装置１４が電気的に接続してある。電動機制御装置１４は、電子制御装置１３から入力される各種の情報に基づいて車輪を駆動する時の電動機３を制御するとともに、減速時における回生運転の際の発電量の制御を行うものである。なお、図示しないが、電動機３とその電源であるバッテリとの間には、電力制御回路（インバータあるいはＤＣ−ＤＣコンバータ）が設けてあり、電力制御回路が電動機３に対して電力を供給するとともに、回生運転時の電力をバッテリに充電するものである。

このような構成において、電子制御装置１３が、アクセルセンサ及びブレーキ油圧センサそれぞれから出力される信号に基づいて減速時であることを判断する。これに加えて、エンジン回転センサ及び車速センサそれぞれから出力される信号に基づいて燃料の噴射を停止する燃料カットを判定し、燃料噴射弁を制御する。

電子制御装置１３が減速時であることを判断するとともに、燃料カットを実行すると、モータ１１が制御されて開閉弁９が全て開弁されて全開となる。開閉弁９を全開にすると、それぞれのシリンダ６は連通孔８を介して接続管路１０により気体が相互に流通する状態になる。この実施形態にあっては、内燃機関２は三気筒であるので、１２０°ＣＡ（クランク角度）の間隔をあけて、二つのシリンダ６でピストン７が上昇する、つまりシリンダ６内に存在する気体を圧縮するように動き、残るシリンダ６においてピストン７が降下するものである。

すなわち、吸気行程に対応するシリンダ６（図３の（ａ）に示す）では、排気弁５が閉弁し吸気弁４が開弁した状態でピストン７が降下する。したがって、ピストン７が上昇するシリンダ６からの気体を、接続管路１０を介して吸い込むとともに、吸気弁４の取り付けられた吸気ポートを介して外気を吸い込むものである。同様に、膨張行程に対応するシリンダ６（図３の（ｃ）に示す）では、吸気弁４及び排気弁５が閉弁した状態でピストン７が降下する。したがって、ピストン７が上昇するシリンダ６からの気体のみを、接続管路１０を介して吸い込むものである。

これに対して、圧縮行程に対応するシリンダ６（図３の（ｂ）に示す）では、吸気弁４及び排気弁５が閉弁した状態でピストン７が上昇する。したがって、ピストン７が降下するシリンダ６に対して、接続管路１０を介して気体を押し出すものである。同様に、排気行程に対応するシリンダ６（図３の（ｄ）に示す）では、吸気弁４が閉弁し排気弁５が開弁した状態でピストン７が上昇する。したがって、ピストン７が降下するシリンダ６に対して、接続管路１０を介して押し出すとともに、排気弁５の取り付けられた排気ポートを介して排気系に気体を排出するものである。なお、図３において、実線の矢印により、ピストン７の動く方向を示すとともに、点線の矢印により、ピストン７の動きに応じた気体の移動方向を示す。

このように、三つのシリンダ６は、上昇するものと降下するものとが混在するもので、図４に示すように、例えば第三気筒においてピストン７が上昇中に第一気筒及び第二気筒においてピストン７が降下する。したがって、接続管路１０により連通された状態では、各シリンダ６の内燃機関の運転中の容積の合計は、ほぼ一定になり、例えば一つのシリンダ６においてピストン７が上昇中であっても気体を圧縮してポンピングロスとなることはない。

この結果、ピストン７が上昇している気筒からピストン７が降下しているシリンダ６に対して、シリンダ６内の気体が移動する。したがって、ピストン７が上昇しているシリンダ６におけるポンピングロスが低減され、内燃機関２によるエンジンブレーキはほぼなくなる。代わって、自動車の走行により得られるタイヤからの回転駆動力は、電動機３に伝達され、電動機３は発電機として機能する、つまり回生運転される。

この場合、内燃機関２は、全ての開閉弁９が全開になっているので、内燃機関２によるエンジンブレーキはほとんど機能しない。つまり、内燃機関２によるエンジンブレーキの引きずり損失を低減することができる。そしてその代わりに、電動機３が回生運転されることにより、自動車としてはエンジンブレーキが作用している状態となる。

この実施形態においては、連通孔８がシリンダヘッドの上死点より上の部位に設けてある。このため、ピストン７が上昇して最終的に形成される容積は最少となる。これによって、減速時における内燃機関２のポンピングロスを低減することができるものである。

以上のように、減速時に燃料カットを実行している運転状態において、それぞれのシリンダ６における吸気弁４と排気弁５とは、燃料を供給している場合と同じに、吸気行程に対応するシリンダ６の吸気弁４が開弁し、排気行程に対応するシリンダ６の排気弁５が開弁する。そして膨張行程及び圧縮工程に対応するシリンダ６にあっては、吸気弁４と排気弁５とが閉弁している。つまり、吸気弁４と排気弁５との両方が、同時に開弁している時間は、バルブタイミングにおけるオーバーラップ期間のわずかなものである。このため、吸気系と排気系とがシリンダ６内を介して連通状態になる時間はわずかである。

このように、吸気弁４と排気弁５とが同時に開弁している時間が短いため、減速時の走行において、走行風により吸気系に達する外気がシリンダ６内に流入することはごく少量である。このため、シリンダ６内が、燃料カットを実行している間に外気により冷却されて内部温度が低下することを抑制することができる。このことは、燃料カットから復帰して、内燃機関を再始動する場合の始動性を確保することができ、また排気系の触媒の温度が低下していないので、排気ガスの浄化効率が低下することを防止することができる。

この実施形態にあっては、それぞれのシリンダ６毎に取り付けられる開閉弁９を、モータ１１により全数を同時に開閉するようにしているので、それぞれのシリンダ６の連通状態を簡潔な構造により制御することができる。したがって、製造コストを低く抑えることができる。また、このような弁制御のための機構にすることにより、電動機３の電源となる充電可能な電池つまりバッテリの充電状態に応じて、開閉弁９の開度を決定するとよい。具体的には、電子制御装置１３に入力されるバッテリの残存容量を検出する充電容量センサからの出力に基づいて、バッテリの充電状態を判断し、バッテリが満充電に近い時には、開閉弁９を閉じ側に制御して発電を抑制するものである。このような構成を取ることにより、内燃機関２によるエンジンブレーキと回生運転とのバランスを好適な状態に保つことができる。

なお、上記実施形態においては、減速時において開閉弁９を開弁するものを説明したが、内燃機関２の始動時に、開閉弁９を開弁するものであってもよい。このように始動時に開閉弁９を開弁することにより、クランキング時のポンピングロスを低減することができる。この結果、電動機３への通電時間を短縮することができるので、内燃機関２の始動時における電力消費を低減することができる。

また、開閉弁９は、それぞれを電磁弁又は油圧弁として、あるいは個別に電磁気的に駆動することが可能な構成として、電子制御装置１３によりそれぞれ個別に開閉し得る構成とするものであってもよい。さらには、開閉弁は個別にモータにより開閉するものであってもよい。

さらには、開閉弁は、隣り合うシリンダ間を接続する接続管路の部分に取り付けるものであってもよい。すなわち、三気筒の内燃機関の場合、接続管路の、第一のシリンダと第二のシリンダとを接続する部分に開閉弁を取り付けるとともに、第二のシリンダと第三のシリンダとを接続する部分に開閉弁を取り付ける構成である。

加えて、充電容量センサに代えて、バッテリの充放電電流及び端子電圧を測定しておき、充放電電流の積算値及び端子電圧に基づいて残存容量を推定（検出）するものであってよい。このようなバッテリの残存容量の検出方法は、前述のものに限らず、当該分野で広く知られているものを適宜採用するものであってよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、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。

本発明の活用例として、上記実施形態のように、減速時において、開閉弁を開弁して、回生運転の効率を向上させる以外に、例えば内燃機関がＶ型内燃機関である場合、低負荷時の燃費を向上させる制御に適用してもよい。すなわち、例えば６気筒Ｖ型内燃機関において、片方のバンクを構成しているシリンダそれぞれに連通孔を設けるとともに、開閉弁及び接続管路を設けて、低負荷の場合は開閉弁を開弁して片方のバンクにおけるフリクションロスを低減するので、片側の三気筒のみで低負荷に見合った出力を発生させることができ、燃費を向上させることができる。

本発明の実施形態の概略構成説明図。 同実施形態の構成を模式的に示す模式図。 同実施形態のピストンの動きとシリンダ内の気体の動きとを示す模式図。 同実施形態のピストンの動きに対応するシリンダ内の容積の変化と合計容積の変化を示すグラフ。

符号の説明

１…ハイブリッドエンジン
２…内燃機関
３…電動機
７…ピストン
７ａ…ピストン頂面
８…連通孔
９…開閉弁
１０…接続管路
１１…モータ
１２ａ…カム
１２ｂ…回転軸
１３…電子制御装置

Claims (1)

1. 複数気筒の内燃機関と電動機とを組み合わせたハイブリッドエンジンであって、
   内燃機関が、
   各気筒において、吸気弁及び排気弁とは別に、ピストンが上死点に達している際のピストン頂面の位置よりも上に設けてなる連通孔と、
   それぞれの連通孔を介して気体が流通するように各気筒を接続する接続管路と、
   接続管路の気体の流通を制御する流通制御手段とを備えてなり、
   流通制御手段は、減速時に電動機を回生運転する場合に接続管路を介して気体を各気筒に流通させるとともに、回生運転以外の電動機の運転状態の場合には接続管路を介しての気体の流通を阻止する開閉弁を具備し、吸気弁及び排気弁から独立している前記開閉弁がほぼ同時に開閉される
   ことを特徴とするハイブリッドエンジン。

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