JP5514623B2 - ハイブリッド車両の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関および回転機を動力源とするハイブリッド車両の制御装置に関し、特に、内燃機関の燃焼モードを火花点火燃焼モードから圧縮着火燃焼モードに切り換える際の制御装置に関する。

従来のハイブリッド車両の制御装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。このハイブリッド車両は、内燃機関と、この内燃機関に接続された第１電動機と、駆動輪に接続された第２電動機を備えている。内燃機関の燃焼方式は、互いに異なる運転領域において、圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼に切り換えられる。

この制御装置では、燃焼方式を切り換えるときに、内燃機関への燃料の供給を停止するとともに、第１電動機を駆動し、その動力を内燃機関に伝達することによって、その回転速度を切換先の燃焼方式に適した速度に制御する。そして、この回転速度の制御が完了した後、燃料の供給を再開することによって、切換先の燃焼モードによる燃焼が開始される。また、燃料の供給が停止される燃焼モードの切換中には、第２電動機を駆動し、その動力を駆動輪に伝達することによって、車両の走行が確保される。

特許第３７１６８１９号公報

一般に、圧縮着火燃焼は、火花点火を用いずに、圧縮された混合気の自着火によって燃焼が行われるため、混合気の温度が自着火に適した範囲にあることが必要である。これに対し、上述した従来の制御装置では、燃焼モードの切換中、燃料の供給を停止するとともに、第１電動機を駆動することで、内燃機関の回転速度を切換先の燃焼方式に適するように制御するにすぎない。このため、この切換中、燃料が供給されず、燃焼が行われないことで、気筒内の温度が低下しやすい。その結果、燃焼方式を火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼に切り換える際に、切換中の気筒内の温度が低下することによって、気筒内の温度が圧縮着火に適した範囲から外れてしまい、圧縮着火燃焼を安定して良好に行えないことで、排ガス特性やドライバビリティが悪化するおそれがある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、内燃機関の燃焼モードを火花点火燃焼モードから圧縮着火燃焼モードに切り換える際に、気筒内の温度の低下を抑制でき、それにより、切換後の圧縮着火燃焼を安定して良好に行うことができるハイブリッド車両の制御装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、請求項１に係る発明は、気筒Ｃ内の混合気を圧縮着火によって燃焼させる圧縮着火燃焼モードと、気筒Ｃ内の混合気を点火プラグ１７から発生した火花による点火によって燃焼させる火花点火燃焼モードに、燃焼モードを切り換えて運転される内燃機関３と、回転機（実施形態における（以下、本項において同じ）電気モータ４）を、動力源として備えるハイブリッド車両Ｖの制御装置であって、火花点火燃焼モードから圧縮着火燃焼モードへの燃焼モードの切換時に、内燃機関３への燃料の供給を停止する燃料供給停止手段（ＥＣＵ２、図７のステップ１１）と、燃焼モードの切換時に、ハイブリッド車両Ｖの動力を得るために、回転機を駆動する回転機駆動手段（ＥＣＵ２、図７のステップ１３）と、燃焼モードの切換時に、気筒Ｃ内を保温するために、点火プラグ１７から火花を発生させる火花発生動作を実行する火花発生実行手段（ＥＣＵ２、図７のステップ１２）と、燃焼モードの切換が終了した後、内燃機関への燃料の供給を再開することによって、圧縮着火燃焼モードによる燃焼を実行させる圧縮着火燃焼実行手段（ＥＣＵ２、図５のステップ７）と、を備えることを特徴とする。

このハイブリッド車両では、内燃機関は、圧縮着火燃焼モードと火花点火燃焼モードに切り換えて運転される。この圧縮着火燃焼モードでは、混合気を圧縮着火によって燃焼させる一方、火花点火燃焼モードでは、混合気を点火プラグから発生した火花による点火によって燃焼させる。また、火花点火燃焼モードから圧縮着火燃焼モードへの燃焼モードの切換時には、内燃機関への燃料の供給を停止するとともに、回転機を駆動する。これにより、燃料の供給停止によって失われた内燃機関の動力を回転機の動力で補うことによって、車両の動力が確保される。

また、上記のように、燃焼モードの切換時に内燃機関への燃料の供給が停止されると、内燃機関での燃焼が行われないために、気筒内の温度が低下しやすい。本発明によれば、この燃焼モードの切換時に、点火プラグから火花を発生させる火花発生動作を実行する。これにより、発生した火花の熱が与えられることで、気筒内の温度の低下が抑制され、気筒内が保温される。その結果、この切換の終了後に圧縮着火燃焼を開始する際、気筒内の温度を圧縮着火燃焼に適した範囲に保持できる。したがって、圧縮着火燃焼を安定して良好に行うことができ、良好な排ガス特性およびドライバビリティを確保することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のハイブリッド車両Ｖの制御装置において、火花発生実行手段は、燃焼モードの切換時に、火花発生動作を複数回、実行することを特徴とする。

この構成によれば、燃焼モードの切換時に、点火プラグから複数回、火花を発生させるので、火花から気筒内により多くの熱量が与えられることにより、上述した請求項１による作用をより有効に得ることができる。

本発明を適用したハイブリッド車両の構成を概略的に示す図である。 図１の内燃機関の構成を概略的に示す図である。 ハイブリッド車両の制御装置を示すブロック図である。 吸気Ｖ／Ｔ切換機構および排気Ｖ／Ｔ切換機構の動作を説明するための、吸気弁および排気弁のバルブリフト曲線を示す図である。 燃焼切換制御処理を示すフローチャートである。 図５の処理において運転領域の判定に用いられるマップである。 図５の切換制御処理のサブルーチンを示すフローチャートである。 火花の発生による気筒内の保温効果を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１に示すように、本発明を適用したハイブリッド車両（以下「車両」という）Ｖは、内燃機関（以下「エンジン」という）３および電気モータ４を、動力源として備えるとともに、エンジン３および電気モータ４などを制御するためのＥＣＵ２を備えている。

エンジン３のクランクシャフト３ａは、電気モータ４の回転軸に直結され、電気モータ４は、クラッチ５、自動変速機６および差動ギヤ機構７などを介して、左右の駆動輪８，８に連結されている。

電気モータ４は、ブラシレスＤＣモータで構成されており、ＰＤＵ９を介して、ＥＣＵ２およびバッテリ１０に接続されている。ＰＤＵ９は、インバータなどを含む電気回路（いずれも図示せず）で構成されている。ＥＣＵ２は、ＰＤＵ９を介して、電気モータ４とバッテリ１０との間の電力の授受を制御する。具体的には、車両Ｖの加速走行中などに、電気モータ４の出力を制御するとともに、車両Ｖの減速走行中などに、電気モータ４による電力回生を制御する。

クラッチ５は、電磁式のものであり、その締結・遮断は、ＥＣＵ２からの制御信号によって制御される。また、自動変速機６は、ベルト式の無段変速機で構成されており、ＣＶＴアクチュエータ６ａ（図３参照）を備えている。自動変速機６の変速比は、ＥＣＵ２からの制御信号によりＣＶＴアクチュエータ６ａを駆動することによって、制御される。以上の構成により、クラッチ５が締結されている場合、エンジン３や電気モータ４の動力が、自動変速機６を介して駆動輪８，８に伝達される。

エンジン３は、４つの気筒Ｃを有するガソリンエンジンである。図２に示すように、エンジン３の各気筒Ｃ（１つのみ図示）には、ピストン３ｂとシリンダヘッド３ｃの間に燃焼室３ｄが形成されるとともに、吸気弁１１および排気弁１２が設けられている。

また、エンジン３には、吸気弁１１を開閉するとともに、そのバルブタイミングを切り換える吸気Ｖ／Ｔ切換機構１３と、排気弁１２を開閉するとともに、そのバルブタイミングを切り換える排気Ｖ／Ｔ切換機構１４が設けられている。

吸気Ｖ／Ｔ切換機構１３は、吸気弁１１のバルブタイミング（以下「吸気Ｖ／Ｔ」という）を、高速バルブタイミング（高速Ｖ／Ｔ）と低速バルブタイミング（低速Ｖ／Ｔ）の２段階に切り換える周知のものであり、吸気カムシャフトと一体の低速カムおよび高速カム（いずれも図示せず）や、吸気ロッカアームシャフトに回動自在に取り付けられた低速ロッカアームおよび高速ロッカアーム（いずれも図示せず）などを備えている。

また、吸気Ｖ／Ｔ切換機構１３は、油圧式のものであり、油路を介して油圧ポンプ（いずれも図示せず）に接続されていて、この油路には吸気Ｖ／Ｔ制御弁１３ａ（図３参照）が設けられている。油圧ポンプは、クランクシャフト３ａに連結されており、エンジン３によって駆動される。吸気Ｖ／Ｔ制御弁１３ａは、常閉式の電磁弁で構成されており、その動作は、ＥＣＵ２によって制御される駆動電流の供給の有無に応じて制御される。

以上の構成により、吸気Ｖ／Ｔ制御弁１３ａに駆動電流が供給されていない状態では、吸気Ｖ／Ｔ制御弁１３ａが閉弁状態に保持されることによって、油圧ポンプから吸気Ｖ／Ｔ切換機構１３への油圧の供給が停止される。これにより、吸気弁１１は、低速カムで駆動されることによって、図４に実線で示すバルブリフト曲線に従って動作する。このときの吸気Ｖ／Ｔが低速Ｖ／Ｔである。

一方、駆動電流が供給されると、吸気Ｖ／Ｔ制御弁１３ａが開弁することによって、吸気Ｖ／Ｔ切換機構１３に油圧が供給される。これにより、吸気弁１１は、高速カムで駆動されることによって、図４に破線で示すバルブリフト曲線に従って動作する。このときの吸気Ｖ／Ｔが高速Ｖ／Ｔである。同図に示すように、この高速Ｖ／Ｔでは、低速Ｖ／Ｔと比較し、吸気弁１１のリフト（最大揚程）が大きくなるとともに、吸気弁１１の開弁タイミングが早くなり、閉弁タイミングが遅くなることで、吸気弁１１の開弁期間が長くなる。その結果、吸気通路１５内をスロットル弁１６を介して流れる空気が、吸気弁１１を介して、気筒Ｃ内に高い充填効率で吸入される。

また、排気Ｖ／Ｔ切換機構１４は、排気弁１２のバルブタイミング（以下「排気Ｖ／Ｔ」という）を、高速バルブタイミング（高速Ｖ／Ｔ）と低速バルブタイミング（高速Ｖ／Ｔ）の２段階に切り換えるものであり、吸気Ｖ／Ｔ切換機構１３とまったく同じ構成を有し、ＥＣＵ２によって制御される排気Ｖ／Ｔ制御弁１４ａ（図３参照）を備えている。

したがって、排気Ｖ／Ｔ制御弁１４ａに駆動電流が供給されていない状態では、排気Ｖ／Ｔ切換機構１４への油圧の供給が停止され、排気弁１２が図４に実線で示すバルブリフト曲線に従って動作することによって、排気Ｖ／Ｔが低速Ｖ／Ｔに設定される。また、排気Ｖ／Ｔ制御弁１４ａに駆動電流が供給されると、排気Ｖ／Ｔ切換機構１４に油圧が供給され、排気弁１２が図４に破線で示すバルブリフト曲線に従って動作することによって、排気Ｖ／Ｔが高速Ｖ／Ｔに切り換えられる。

同図に示すように、低速Ｖ／Ｔでは、高速Ｖ／Ｔと比較し、排気弁１２のリフトが小さくなるとともに、開弁タイミングが遅くなり、閉弁タイミングが早くなることで、排気弁１２の開弁期間が短くなる。また、吸気弁１１および排気弁１２がいずれも低速Ｖ／Ｔに設定されているときには、吸気弁１１および排気弁１２が同時に閉弁する、いわゆる負のバルブオーバーラップが生じ、それにより、燃焼室３ｄ内に既燃ガスを残留させる内部ＥＧＲが得られる。

後述するように、本実施形態では、エンジン３の燃焼モードが火花点火燃焼モードのときには、吸気Ｖ／Ｔおよび排気Ｖ／Ｔがいずれも高速Ｖ／Ｔに設定され、圧縮着火燃焼モードのときには、内部ＥＧＲによる既燃ガスの熱を圧縮着火に利用するために、吸気Ｖ／Ｔおよび排気Ｖ／Ｔがいずれも低速Ｖ／Ｔに設定される。

さらに、エンジン３には、気筒Ｃごとに、点火プラグ１７、ポート燃料噴射弁１８および筒内燃料噴射弁１９が設けられている。点火プラグ１７は、シリンダヘッド３ｃに取り付けられており、火花を発生させることにより、気筒Ｃ内の混合気に点火を行う。また、本実施形態では特に、後述する火花点火燃焼モードから圧縮着火燃焼モードへの燃焼モードの切換時に、気筒Ｃ内を保温するために、点火プラグ１７からの火花の発生動作が行われる。

ポート燃料噴射弁１８は、吸気通路１５の吸気マニホルドに取り付けられており、吸気ポート１５ａに向かって燃料を噴射する。また、筒内燃料噴射弁１９は、シリンダヘッド３ｃに取り付けられており、気筒Ｃ内に燃料を直接、噴射する。

これらの点火プラグ１７、ポート燃料噴射弁１８および筒内燃料噴射弁１９の動作、より具体的には、点火プラグ１７からの火花の発生、および両燃料噴射弁１８，１９による燃料噴射量および燃料噴射時期は、ＥＣＵ２によって制御される。それにより、エンジン３の燃焼モードが、混合気を圧縮着火によって燃焼させる圧縮着火燃焼（以下「ＨＣＣＩ燃焼」という）が行われるＨＣＣＩ燃焼モードと、混合気を点火プラグ１７から発生した火花による点火によって燃焼させる火花点火燃焼（以下「ＳＩ燃焼」という）が行われるＳＩ燃焼モードに切り換えられる。

また、図２に示すように、エンジン３のクランクシャフト３ａには、クランク角センサ２０が設けられている。クランク角センサ２０は、クランクシャフト３ａの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。

ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０°）ごとに出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。また、ＴＤＣ信号は、いずれかの気筒Ｃにおいてピストン３ｂが吸気行程の開始時の上死点よりも若干、手前の所定のクランク角位置にあることを表す信号であり、本実施形態のようにエンジン３が４気筒の場合には、クランク角１８０゜ごとに出力される。

ＥＣＵ２にはさらに、水温センサ２１から、エンジン３のシリンダブロック（図示せず）内を循環する冷却水の温度（以下「エンジン水温」という）ＴＷを表す検出信号が、アクセル開度センサ２２から、車両Ｖのアクセルペダル（図示せず）の踏み込み量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号が、それぞれ出力される。

ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよびＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などから成るマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ２は、前述した各種のセンサ２０〜２２の検出信号などに応じて、エンジン３の燃焼モードを決定するとともに、エンジン３および電気モータ４などに対する各種の制御処理を実行する。なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、燃料供給停止手段、回転機駆動手段、火花発生実行手段および圧縮着火燃焼実行手段に相当する。

図５は、ＥＣＵ２によって実行される燃焼切換制御処理を示すフローチャートである。本処理は、エンジン３の燃焼モードを決定するとともに、その結果に応じてエンジン３の燃焼制御および切換制御などを行うものであり、ＴＤＣ信号の発生に同期して実行される。

本処理では、まずステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、エンジン水温ＴＷが所定温度ＴＷＨＣＣＩよりも高いか否かを判別する。この所定温度ＴＷＨＣＣＩは、例えば、ＨＣＣＩ燃焼を実行可能な冷却水の温度範囲の下限値に設定されている。

このステップ１の答がＮＯで、ＴＷ≦ＴＷＨＣＣＩのときには、ＳＩ燃焼を実行すべきと決定し、ダウンカウント式の切換タイマの値（以下「切換タイマ値」という）ＴＭ＿ＤＬＹを所定時間ＴＲＥＦにリセットする（ステップ２）とともに、ＳＩ燃焼制御を実行し（ステップ３）、本処理を終了する。

前記ステップ１の答がＹＥＳのときには、エンジン３がＨＣＣＩ燃焼を実行すべきＨＣＣＩ領域にあるか否かを判別する（ステップ４）。この判別は、図６に示すマップを用い、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤが、このマップ中のＨＣＣＩ領域にあるか否かを判別することによって行われる。このマップでは、ＨＣＣＩ領域は、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤがいずれも小さい低回転低負荷領域に設定されている。なお、要求トルクＰＭＣＭＤは、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出される。

このステップ４の答がＮＯで、エンジン３がＨＣＣＩ領域にないときには、ＳＩ燃焼を実行すべきと決定し、前記ステップ２を実行した後、前記ステップ３においてＳＩ燃焼制御を実行する。

このＳＩ燃焼制御では、吸気Ｖ／Ｔ切換機構１３および排気Ｖ／Ｔ切換機構１４を制御することで、吸気Ｖ／Ｔおよび排気Ｖ／Ｔをいずれも高速Ｖ／Ｔに設定し、吸気行程においてポート燃料噴射弁１８から燃料を噴射することで、燃焼室３ｄ内に混合気を生成するとともに、圧縮行程において点火プラグ１７から火花を発生させる。この火花による点火で混合気が燃焼することによって、ＳＩ燃焼が行われる。

前記ステップ４の答がＹＥＳで、エンジン３がＨＣＣＩ領域にあるときには、前記ステップ２でリセットした切換タイマ値ＴＭ＿ＤＬＹが０であるか否かを判別する（ステップ５）。この答がＮＯで、エンジン３がＳＩ領域からＨＣＣＩ領域に移行した直後のときには、燃焼モードをＨＣＣＩ燃焼モードに切り換えるための切換制御を実行する（ステップ６）。

図７は、この切換制御処理のサブルーチンを示す。本処理では、まずステップ１１において、ポート燃料噴射弁１８および筒内燃料噴射弁１９からの燃料の供給を停止する。次に、点火プラグ１７から火花を発生させる火花発生動作を実行する（ステップ１２）。なお、この火花発生動作は、本処理の実行周期ごとに行われるので、この切換制御中、複数回、実行されることになる。

この火花発生動作は、燃料の供給停止に伴って温度が低下しがちな気筒Ｃ内を、発生した火花の熱を利用して保温するためのものである。図８は、火花発生動作を２回、実行したときの、気筒Ｃの容積Ｖと上昇温度ΔＴとの関係を示している。同図から、容積Ｖが小さい場合には、火花の発生によって気筒Ｃ内の温度が大きく上昇することが確認された。また、後述するように、ＨＣＣＩ燃焼を実行する際には、筒内燃料噴射弁１９から噴射された燃料を含む局所的に存在する混合気を自着火させるために、その付近における気筒Ｃ内の小さな容積部分の温度が保たれていればよいので、上記の火花発生動作によって、ＨＣＣＩ燃焼に必要な気筒内の保温を有効に行うことができる。

次に、電気モータ４を駆動し、その動力を発生させる（ステップ１３）。これにより、燃料の供給停止によって失われたエンジン３の動力を電気モータ４の動力で補うことによって、車両Ｖの動力が確保される。次に、吸気Ｖ／Ｔおよび排気Ｖ／Ｔを、高速Ｖ／ＴからＨＣＣＩ燃焼モード用の低速Ｖ／Ｔに切り換える切換動作を行い（ステップ１４）、本処理を終了する。

図５に戻り、前記ステップ５の答がＹＥＳで、前述した切換制御の開始後、所定時間ＴＲＥＦが経過したときには、吸気Ｖ／Ｔおよび排気Ｖ／Ｔの低速Ｖ／Ｔへの切換が完了したとして、ＨＣＣＩ燃焼制御を実行し（ステップ７）、本処理を終了する。

このＨＣＣＩ燃焼制御では、吸気Ｖ／Ｔおよび排気Ｖ／Ｔを低速Ｖ／Ｔに設定した状態で、吸気行程においてポート燃料噴射弁１８から燃料を噴射することによって、燃焼室３ｄ内に比較的リーンな混合気を生成するとともに、圧縮行程において筒内燃料噴射弁１９から燃料を噴射することによって、その付近に比較的リッチな混合気を局所的に生成する。そして、このリッチな混合気が圧縮によって自着火し、それにより、その周囲のリーンな混合気の自着火を誘発し、燃焼させることによって、ＨＣＣＩ燃焼が行われる。

以上のように、本実施形態によれば、ＳＩ燃焼モードからＨＣＣＩ燃焼モードへの燃焼モードの切換時に、エンジン３への燃料の供給を停止する（図７のステップ１１）とともに、点火プラグ１７から火花を発生させる火花発生動作を実行する（ステップ１２）。これにより、発生した火花の熱が与えられることで、気筒Ｃ内の温度の低下が抑制され、気筒Ｃ内が保温される。その結果、この切換の終了後にＨＣＣＩ燃焼を開始する際、気筒Ｃ内の温度をＨＣＣＩ燃焼に適した範囲に保持できる。したがって、ＨＣＣＩ燃焼を安定して良好に行うことができ、良好な排ガス特性およびドライバビリティを確保することができる。

また、燃焼モードの切換制御時に、火花発生動作を複数回、実行するので、火花から気筒内により多くの熱量が与えられることにより、上述した気筒Ｃ内の保温効果をより有効に得ることができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、ＨＣＣＩ燃焼モードへの切換制御時に、その処理の実行周期ごとに、点火プラグ１７からの火花発生動作を実行しているが、その実行回数は、気筒Ｃを保温するための必要度合に応じて適宜、増減してもよい。

また、実施形態は、回転機としてブラシレスＤＣタイプの電気モータ４を用いた例であるが、本発明の回転機は、これに限らず、動力の発生および電力の回生の双方を行えるものであればよく、例えばブラシ付きのＤＣモータを用いてもよい。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

２ ＥＣＵ（燃料供給停止手段、回転機駆動手段、火花発生実行手段、圧縮着火燃焼実 行手段）
３ エンジン
４ 電気モータ（回転機）
１７ 点火プラグ
Ｃ 気筒
Ｖ ハイブリッド車両

Claims (2)

1. 気筒内の混合気を圧縮着火によって燃焼させる圧縮着火燃焼モードと、前記気筒内の混合気を点火プラグから発生した火花による点火によって燃焼させる火花点火燃焼モードに、燃焼モードを切り換えて運転される内燃機関と、回転機を、動力源として備えるハイブリッド車両の制御装置であって、
   前記火花点火燃焼モードから前記圧縮着火燃焼モードへの前記燃焼モードの切換時に、前記内燃機関への燃料の供給を停止する燃料供給停止手段と、
   前記燃焼モードの切換時に、前記ハイブリッド車両の動力を得るために前記回転機を駆動する回転機駆動手段と、
   前記燃焼モードの切換時に、前記気筒内を保温するために、前記点火プラグから火花を発生させる火花発生動作を実行する火花発生実行手段と、
   前記燃焼モードの切換が終了した後、前記内燃機関への燃料の供給を再開することによって、前記圧縮着火燃焼モードによる燃焼を実行させる圧縮着火燃焼実行手段と、
   を備えることを特徴とするハイブリッド車両の制御装置。
2. 前記火花発生実行手段は、前記燃焼モードの切換時に、前記火花発生動作を複数回、実行することを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッド車両の制御装置。

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