JP5408016B2

JP5408016B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5408016B2
Application number: JP2010094171A
Authority: JP
Inventors: 高志河合
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2030-04-15
Also published as: JP2011225025A

Description

本発明は、圧縮比可変機構を備えてハイブリッド車両に使用される内燃機関を制御するための制御装置に関する。

ハイブリッド車両用の内燃機関において、各運転状態の熱効率を高めるために、シリンダブロックをクランクケースに対して相対移動させることにより機械圧縮比を可変とすることが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００４−０４４４３３特開２００２−１３８８６７

このような内燃機関の出力軸がモータジェネレータの回転軸と歯車を介して機械的に連結されている場合において、例えば、モータジェネレータの発生トルク及び回生トルクがゼロ近傍である時には、モータジェネレータの回転軸に固定された歯車において歯打ち音が発生し易くなるために、内燃機関の発生トルクを減少させて歯打ち音を減少させると共に、要求パワーを維持するために回転数を高めることが考えられる。

しかしながら、このようにして要求パワーに対する最大熱効率の運転状態から運転状態を変化させると、圧縮比可変機構によって機械圧縮比が変化後の運転状態に対して最適に制御されても熱効率が低下するために、燃料消費が悪化してしまう。

従って、本発明の目的は、圧縮比可変機構を備えてハイブリッド車両に使用される内燃機関において、モータジェネレータの回転軸に固定された歯車の歯打ち音を十分に低減するために要求パワーを維持して発生トルクを減少させる際に、燃料消費の悪化を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、圧縮比可変機構を備えてハイブリッド車両に使用される内燃機関の制御装置であって、モータジェネレータの回転軸に固定された歯車の歯打ち音を許容レベルに低減するために現在の要求パワーを維持して内燃機関の発生トルクを減少させる制御において、歯打ち音が許容レベルになる許容レベルの運転範囲が予め定められており、要求パワーに基づいて熱効率が最大になる最適機械圧縮比において、最大熱効率を実現できる運転状態から許容レベルの運転範囲まで前記発生トルクを減少させて回転数を増加した高圧縮比側運転状態と、最適機械圧縮比よりも小さい機械圧縮比において、要求パワーを出力するときの最大熱効率を実現できる運転状態から許容レベルの運転範囲まで前記発生トルクを減少させて回転数を増加した低圧縮比側運転状態とを比較する。そして、低圧縮比側運転状態の熱効率が高圧縮比側運転状態の熱効率よりも高い場合には、低圧縮比側運転状態にて運転を行うことを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の制御装置は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記低圧縮比側運転状態は、前記圧縮比可変機構により実現可能で燃焼を可能とする最低機械圧縮比の運転状態であることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置によれば、圧縮比可変機構を備えてハイブリッド車両に使用される内燃機関の制御装置であって、モータジェネレータの回転軸に固定された歯車の歯打ち音を許容レベルに低減するために現在の要求パワーを維持して内燃機関の発生トルクを減少させる制御において、歯打ち音が許容レベルになる許容レベルの運転範囲が予め定められており、要求パワーに基づいて熱効率が最大になる最適機械圧縮比において、最大熱効率を実現できる運転状態から許容レベルの運転範囲まで前記発生トルクを減少させて回転数を増加した高圧縮比側運転状態と、最適機械圧縮比よりも小さい機械圧縮比において、要求パワーを出力するときの最大熱効率を実現できる運転状態から許容レベルの運転範囲まで前記発生トルクを減少させて回転数を増加した低圧縮比側運転状態とを比較し、低圧縮比側運転状態の熱効率が高圧縮比側運転状態の熱効率よりも高い場合には、低圧縮比側運転状態にて運転を行うために、モータジェネレータの回転軸に固定された歯車の歯打ち音を許容レベルに低減するために、低圧縮比側運転状態が採用された時には、常に高圧縮比側運転状態とされる場合に比較して燃料消費の悪化を抑制することができる。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の制御装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、低圧縮比側運転状態は、圧縮比可変機構により実現可能で燃焼を可能とする最低機械圧縮比の運転状態であるために、歯打ち音を許容レベルに低減するための発生トルクの減少分は最も小さくすることができ、低圧縮比側運転状態が採用される機会を増大させることができる。

本発明の制御装置により制御される内燃機関を使用するハイブリッド車両を示す概略図である。図１のハイブリッド車両の基本的動作を説明するための共線図である。図１のハイブリッド車両の高速定常走行時を示す共線図である。図１の内燃機関の圧縮比を可変とする圧縮比可変機構を説明するための図である。本発明の制御装置により実施される歯打ち音を低減するための制御を示すフローチャートである。圧縮比可変機構により最適機械圧縮比を実現した場合の各運転状態の熱効率を示すマップである。圧縮比可変機構により燃焼を可能とする最低機械圧縮比を実現した場合の各運転状態の熱効率を示すマップである。

図１は、本発明の制御装置により制御される内燃機関を使用するハイブリッド車両を示す概略図である。同図において、ＥＧが内燃機関であり、ＭＧ１は第一モータジェネレータ、ＭＧ２は第二モータジェネレータである。これら内燃機関ＥＧ、第一モータジェネレータＭＧ１、及び、第二モータジェネレータＭＧ２は、本発明の制御装置ＥＣＵ（電子制御装置）により制御される。

第一及び第二モータジェネレータＭＧ１及びＭＧ２は、同期電動発電機として構成されている。内燃機関ＥＧと第一モータジェネレータＭＧ１と第二モータジェネレータＭＧ２とは、プラネタリギヤ（遊星歯車装置）を介して機械的に結合されている。

プラネタリギヤは、中心で回転するサンギヤ３１と、サンギヤ３１の周囲を自転しながら公転するプラネタリピニオンギヤ３３と、その外周で回転するリングギヤ３２とを有している。プラネタリピニオンギヤ３３はプラネタリキャリア３４に軸支されている。内燃機関ＥＧのクランクシャフト５０はダンパ５１を介してプラネタリキャリア３４の回転軸３５に結合されている。ダンパ５１はクランクシャフト５０に生じる捻り振動を吸収するために設けられている。

第一モータジェネレータＭＧ１の回転子Ｒ１はサンギヤ３１の回転軸３６に結合されている。また、第二モータジェネレータＭＧ２の回転子Ｒ２はリングギヤ３２の回転軸３７に結合されている。リングギヤ３２の回転は、チェーンベルト３８を介して駆動軸４０へ伝達され、最終的に車輪４１及び４２へ伝達される。

プラネタリギヤは、上述の三つの回転軸３５、３６、３７のうちの二つの回転軸の回転数及びトルク（以下、回転状態と称する）が決定されると、残りの回転軸の回転状態が定まる性質を有している。各回転軸３５、３６、３７の回転状態の関係は、機構学において周知の計算式によって求めることができるが、図２及び３に示すような共線図により幾何学的に求めることもできる。

図２において、縦軸は各回転軸の回転数を示しており、横軸は各ギヤのギヤ比を距離的な関係で示している。サンギヤ３１の回転軸３６（Ｓ）と、リングギヤ３２の回転軸３７（Ｒ）とを両端とし、位置Ｓと位置Ｒとの間を１：ｐに内分する位置Ｃをプラネタリキャリア３４の回転軸３５の位置Ｃとする。ｐはリングギヤ３２の歯数に対するサンギヤ３１の歯数の比である。こうして定義された位置Ｓ、Ｃ、及びＲに、各ギヤの回転軸３５、３６、３７の回転数Ｎｅ、Ｎｓ、Ｎｒをプロットすると、一直線となり、この直線が動作共線と呼ばれる。動作共線は、二点が決まれば一義的に定まるために、三つの回転軸３５、３６、３７のうちの二つの回転軸の回転数から残りの回転軸の回転数を求めることができる。

また、プラネタリギヤでは、各回転軸のトルクを動作共線に働く力に置き換えて示した時に、動作共線が剛体として釣り合いが保たれる。例えば、プラネタリキャリア３４の回転軸３５に作用するトルクをＴｅとする。この時に、図２に示すように、トルクＴｅに相当する大きさの力を位置Ｃにおいて動作共線に下側から鉛直方向に作用させる。また、リングギヤ３２の回転軸３７から出力されるトルクＴｒを位置Ｒにおいて動作共線に上側から鉛直方向に作用させる。図２において、Ｔｅｓ及びＴｅｒは剛体に作用する力の分配法則に基づいてトルクＴｅを等価な二つの力に分配したものである。すなわち、Ｔｅｓ＝ｐ／（１＋ｐ）＊Ｔｅとなり、Ｔｅｒ＝１／（１＋ｐ）＊Ｔｅとなる。これらの力が作用した状態で、動作共線が剛体として釣り合いがとれているという条件を考慮すれば、サンギヤ３１の回転軸３６に作用すべきトルクＴｍ１と、リングギヤ３２の回転軸３７に作用すべきトルクＴｍ２とを求めることができる。トルクＴｍ１はトルクＴｅｓに等しくなり、トルクＴｍ２はトルクＴｒとトルクＴｅｒとの差分に等しくなる。

プラネタリキャリア３４の回転軸３５に結合された内燃機関ＥＧが回転している時に、動作共線に関する上述の条件を満足すれば、サンギヤ３１及びリングギヤ３２は様々な回転状態で回転することができる。サンギヤ３１が回転している時は、その回転動力を利用して第一モータジェネレータＭＧ１により発電することが可能である。また、リングギヤ３２が回転している時は、内燃機関ＥＧから出力された動力を駆動軸４０に伝達することが可能である。また、内燃機関ＥＧから出力された動力を駆動軸４０に機械的に伝達される動力と、電力として回生される動力に分配し、さらに回生された電力を利用して第二モータジェネレータＭＧ２を電動機として作動させて動力のアシストを行わせることもできる。

第一モータジェネレータＭＧ１及び第二モータジェネレータＭＧ２の動力により車両を走行させることができ、この時には、内燃機関ＥＧを停止させたり、アイドル運転させたりすることができる。

図３は、車両の高速定常走行時の共線図を示している。図２に示す共線図ではサンギヤ３１の回転軸３６の回転数Ｎｓは正であったが、内燃機関ＥＧの回転数Ｎｅとリングギヤ３２の回転軸３７の回転数Ｎｒとによって、図３の共線図ではサンギヤ３１の回転軸３６の回転数Ｎｓは負となっている。この時には、第一モータジェネレータＭＧ１では、回転の方向とトルクの作用する方向とが同じになるから、第一モータジェネレータＭＧ１は電動機として動作し、トルクＴｍ１と回転数Ｎｓとの積で表される電気エネルギを消費する。一方、第二モータジェネレータＭＧ２では、回転の方向とトルクの作用する方向とが逆になるから、第二モータジェネレータＭＧ２は発電機として動作し、トルクＴｍ２と回転数Ｎｒとの積で表される電気エネルギをリングギヤ３２の回転軸３７から回生することになる。このように、本ハイブリッド車両は、プラネタリギヤの作用に基づいて種々の運転状態で走行することができる。

本内燃機関ＥＧは、各運転状態（発生トルクと回転数との組み合わせ）において最適な機械圧縮比（（上死点シリンダ容積＋行程容積）／上死点シリンダ容積）を実現して熱効率を高めるために、シリンダブロックをクランクケースに対して相対移動させる圧縮比可変機構を有している。図４は、圧縮比可変機構の一例を説明するための図である。同図において、１００はシリンダブロック、２００はクランクケース、３００は圧縮上死点位置のピストンである。本内燃機関は直列気筒配置型である。

図４に示す正面視において、シリンダブロック１００の下部の一方側には第一サポート１１が設けられ、シリンダブロック１００の下部の他方側には第二サポート１２が設けられ、クランクケース２００の上部の一方側には第三サポート２１が設けられ、クランクケース２００の上部の他方側には第四サポート２２が設けられている。図４（Ａ）で示すシリンダブロック１００の最下位置において、第一サポート１１及び第三サポート２１には同心の第一穴及び第三穴が形成され、第二サポート１２及び第四サポート２２には、同心の第二穴及び第四穴が形成されている。第一穴、第二穴、第三穴、及び第四穴は同一径を有している。

第一穴、第二穴、第三穴、及び第四穴には、それぞれ回動可能に第一ボス１３、第二ボス１４、第三ボス、及び第四ボスが配置されている。第一ボス１３、第二ボス１４、第三ボス、及び第四ボスには同一位置に同一径の偏心穴が形成され、第一ボス１３の偏心穴及び第三ボスの偏心穴には回動可能に第一軸１５が挿入され、第二ボス１４の偏心穴及び第四ボスの偏心穴には回転可能に第二軸１６が挿入されている。

このように構成された圧縮比可変機構により、シリンダブロック１００の最下位置(Ａ)において、第一ボス１３（反時計方向）及び第二ボス１４（時計方向）を互いに反対方向に９０度回動させると、シリンダブロック１００はクランクケース２００に対して中間位置（Ｂ）へ上昇する。その結果、上死点シリンダ容積が大きくなってシリンダブロック１００の最下位置(Ａ)に比較して機械圧縮比（（上死点シリンダ容積＋行程容積）／上死点シリンダ容積）を小さくすることができる。

さらに、シリンダブロック１００の中間位置(Ｂ)において、第一ボス１３を図１において反時計方向に９０度回動させると同時に第二ボス１４を図１において時計方向に９０度回動させると、シリンダブロック１００はクランクケース２００に対して最上位置（Ｃ）へ上昇する。その結果、上死点シリンダ容積がさらに大きくなってシリンダブロック１００の中間位置(Ｂ)に比較して機械圧縮比（（上死点シリンダ容積＋行程容積）／上死点シリンダ容積）を小さくすることができる。こうして、第一ボス１３及び第二ボス１４を互いに反対方向に任意の角度だけ回動させることにより所望機械圧縮比を実現することができる。

内燃機関には、このような圧縮比可変機構に加えて、少なくとも吸気弁の閉弁時期と排気弁の開弁時期とを可変とする可変バルブタイミング機構も設けられており、それにより、圧縮比可変機構により実現される機械圧縮比に対して、所望の実圧縮比（（上死点シリンダ容積＋吸気弁閉弁時からの行程容積）／上死点シリンダ容積）と、所望の実膨張比（（上死点シリンダ容積＋排気弁開弁までの行程容積）／上死点シリンダ容積）とを実現することができる。

ところで、前述のように、内燃機関ＥＧのクランク軸５０がモータジェネレータＭＧ１及びＭＧ２の回転子と歯車を介して機械的に連結されている場合において、例えば、第二モータジェネレータＭＧ２の発生トルク（電動機としての作動時）及び回生トルク（発電機としての作動時）がゼロ近傍である時には、第二モータジェネレータＭＧ２の回転子に固定されたリングギヤ３２において大きな歯打ち音が発生し易くなるために、要求パワーに対する最大熱効率の運転状態で運転されている内燃機関ＥＧは、発生トルクを減少させて歯打ち音を減少させることが望まれる。しかしながら、内燃機関ＥＧの要求パワーを低下させることはできず、要求パワーを維持するために回転数が高められる。

本実施形態の制御装置は、モータジェネレータの回転軸（回転子）に固定された歯車の歯打ち音を十分に低減するために要求パワーを維持して発生トルクを減少させる際に、燃料消費の悪化を抑制することを目的とし、図５に示すフローチャートに従って歯打ち音を低減させている。

先ず、ステップ１０１において、第二モータジェネレータＭＧ２のトルクＴ（発生トルク及び回生トルク）がほぼ０であるか否か、すなわち、第二モータジェネレータＭＧ２が電動機及び発電機のいずれとしても殆ど作動していない時であるか否かが判断される。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、ステップ１０１の判断が肯定される時には、第二モータジェネレータＭＧ２側からリングギヤ３２に正負いずれのトルクも殆ど作用しないために、内燃機関ＥＧ側から大きなトルクがプラネタリピニオンギヤ３３を介してリングギヤ３２へ伝達されると、プラネタリピニオンギヤ３３とリングギヤ３２との間で大きな歯打ち音が発生することがある。

それにより、ステップ１０１の判断が肯定される時には、ステップ１０２において、歯打ち音を許容レベルとする高圧縮比側運転状態が決定される。ここで、高圧縮比側運転状態は、図６に示すようなマップに設定された運転状態であり、各運転状態においては、機械圧縮比可変機構により熱効率を最大とする最適機械圧縮比が実現されるようになっている。等熱効率の運転状態を結ぶ各等熱効率線が図示されている。図６の点線は各要求パワーの最大熱効率を実現する運転状態であり、通常は、要求パワーの変化に対して点線上の運転状態が採用されることとなる。

現在の要求パワーに対して最大熱効率の運転状態Ｃ１において運転されている場合において、線ＬＨ１は、この時の等要求パワーの運転状態を示しており、線ＬＣＨは各要求パワーにおいて歯打ち音を許容レベルとする運転状態を示しており、線ＬＨ１と線ＬＣＨとの交点の運転状態ＣＨ１が要求パワーを維持して歯打ち音を許容レベルとする高圧縮比側運転状態ＣＨ１となる。この高圧縮比側運転状態ＣＨ１の熱効率Ａは例えば２５％となっている。

次いで、ステップ１０３において、歯打ち音を許容レベルとする低圧縮比側運転状態が決定される。ここで、低圧縮比側運転状態は、図７に示すようなマップに設定された運転状態であり、各運転状態においては、機械圧縮比可変機構により燃焼を可能とする最低機械圧縮比が実現されるようになっている。等熱効率の運転状態を結ぶ各等熱効率線が図示されており、図６のマップに比較して、対応する運転状態の熱効率は当然に低くなる。図７の点線は図６の点線と同じに最適機械圧縮比とされて各要求パワーの最大熱効率を実現する運転状態である。

前述と同じ運転状態Ｃ１において運転されている場合において、線ＬＬ１は、この時の等要求パワーの運転状態を示しており、線ＬＣＬは各要求パワーにおいて歯打ち音を許容レベルとする運転状態を示しており、線ＬＬ１と線ＬＣＬとの交点の運転状態ＣＬ１が要求パワーを維持して歯打ち音を許容レベルとする低圧縮比側運転状態ＣＬ１となる。この低圧縮比側運転状態の熱効率Ｂは例えば２４％となっている。

次いで、ステップ１０４において、高圧縮比側運転状態の熱効率Ａが低圧縮比側運転状態の熱効率Ｂ以上であるか否かが判断される。この判断が肯定される時には、ステップ１０５において、ステップ１０２において決定された高圧縮比運転状態が実施されて歯打ち音が許容レベルとされ、ステップ１０４の判断が否定される時には、ステップ１０６において、ステップ１０３において決定された低圧縮比運転状態が実施されて歯打ち音が許容レベルとされる。前述の場合には、ステップ１０４の判断が肯定されるために、ステップ１０５において、高圧縮比運転状態が実施されて歯打ち音が許容レベルとされる。

次いで、ステップ１０７において、ステップ１０１と同様に、第二モータジェネレータＭＧ２のトルクＴ（発生トルク及び回生トルク）がほぼ０であるか否かが判断され、この判断が肯定される時には、ステップ１０５又は１０６において実施されている歯打ち音低減運転を持続する。ステップ１０７の判断が否定されると、歯打ち音低減運転は中止され、図６及び７に点線で示す最大熱効率の運転に切り換えられる。

図７の各要求パワーの歯打ち音を許容レベルとする運転状態（ＬＣＬ）は、図６の各要求パワーの歯打ち音を許容レベルとする運転状態（ＬＣＨ）に比較して、高トルク高回転となっている。これは、図７の各運転状態は、図６の各運転状態に比較して、機械圧縮比が低くされているために実圧縮比も低くされ、燃焼が緩慢となってトルク変動（クランク角度毎のトルク変化）が小さくなり、大きな歯打ち音が発生し難くなるためである。

こうして、図７の低圧縮比側運転は、図６の高圧縮比側運転に比較して、対応する運転状態の熱効率は低くなるが、歯打ち音を許容レベルとする同じ要求パワーの運転状態は、熱効率が高くなる高トルク高回転側となるために、例えば、現在の要求パワーに対して最大熱効率の運転状態Ｃ２において運転されている場合においては、要求パワーを維持して歯打ち音を許容レベルとする高圧縮比側運転状態は、図６において線ＬＨ２と線ＬＣＨとの交点の運転状態ＣＨ２となり、その熱効率Ａは例えば３０％となっているが、これに対して、要求パワーを維持して歯打ち音を許容レベルとする低圧縮比側運転状態は、図７において線ＬＬ２と線ＬＣＬとの交点の運転状態ＣＬ２となり、その熱効率Ｂは例えば３１％となっている。

この場合においては、ステップ１０４の判断が否定され、低圧縮比側運転状態が実施されて歯打ち音が許容レベルとされる。こうして、歯打ち音を低減するために、常に図６に示す高圧縮比側運転状態が実施される場合に比較して、図７に示す低圧縮比側運転状態が実施されれば、この時には、高圧縮比側運転状態より熱効率が高いために、燃料消費を低減することができる。

本実施形態において、図７に示す低圧縮比側運転状態は、圧縮比可変機構により燃焼を可能とする最低機械圧縮比の運転状態としており、歯打ち音を許容レベルに低減するための発生トルクの減少分は最も小さくすることができ、低圧縮比側運転状態が採用される機会を増大させることができる。また、圧縮比可変機構により実現可能な最も低い機械圧縮比（シリンダブロックとクランクケースとを最大に離間させた場合）が、運転状態によっては燃焼を可能とする最低機械圧縮比より大きい場合があるが、この時には、対応する運転状態の機械圧縮比は、圧縮比可変機構により実現可能な最も低い機械圧縮比とされる。

図７に示す各低圧縮比側運転状態は、図６に示す対応する高圧縮比側運転状態に比較して機械圧縮比が低くされていれば、すなわち、熱効率を高くする最適機械圧縮比より低い機械圧縮比とされていれば、燃焼を可能とする最低機械圧縮比とされていなくても良いが、少なくとも一つの要求パワーに対して歯打ち音を許容レベルとする低圧縮比側運転状態が、同じ要求パワーに対して歯打ち音を許容レベルとする高圧縮比側運転状態（熱効率を高める最適機械圧縮比）より熱効率が高くなっていることが必要である。

本実施形態は、第二モータジェネレータＭＧ２の歯打ち音を低減するようにしたが、もちろん、第一モータジェネレータＭＧ１のトルクが０近傍である時に、同様な歯打ち音低減の制御を実施するようにしても良い。

ＥＧ内燃機関
ＭＧ１第一モータジェネレータ
ＭＧ２第二モータジェネレータ
１００シリンダブロック
２００クランクケース

Claims

圧縮比可変機構を備えてハイブリッド車両に使用される内燃機関の制御装置であって、モータジェネレータの回転軸に固定された歯車の歯打ち音を許容レベルに低減するために現在の要求パワーを維持して内燃機関の発生トルクを減少させる制御において、
歯打ち音が許容レベルになる許容レベルの運転範囲が予め定められており、
要求パワーに基づいて熱効率が最大になる最適機械圧縮比において、最大熱効率を実現できる運転状態から許容レベルの運転範囲まで前記発生トルクを減少させて回転数を増加した高圧縮比側運転状態と、最適機械圧縮比よりも小さい機械圧縮比において、要求パワーを出力するときの最大熱効率を実現できる運転状態から許容レベルの運転範囲まで前記発生トルクを減少させて回転数を増加した低圧縮比側運転状態とを比較し、
低圧縮比側運転状態の熱効率が高圧縮比側運転状態の熱効率よりも高い場合には、低圧縮比側運転状態にて運転を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記低圧縮比側運転状態は、前記圧縮比可変機構により実現可能で燃焼を可能とする最低機械圧縮比の運転状態であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。