JP6115307B2 - ハイブリッド電動車両及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明はハイブリッド電動車両及びその制御方法に関し、更に詳しくは、ＮＯｘの浄化率を低下させることなく、燃費を改善することができるハイブリッド電動車両及びその制御方法に関する。
近年、燃費向上と環境対策などの観点から、内燃機関が発生する駆動力の一部を、バッテリーを電源とする走行モータで代替するハイブリッド電動車両（以下「ＨＥＶ」という。）が注目されている。
このＨＥＶにおける内燃機関にディーゼルエンジンを用いる場合には、従来の車両と同じく、ディーゼルエンジンの排ガスに含有される粒子状物質（ＰＭ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）などの有害物質を除去するための浄化システムが必要となる。前者のＰＭについては、セラミックス製のハニカム状多孔体のフィルタによりＰＭを捕集するＰＭ捕集フィルターなどが実用化されている。また、後者のＮＯｘについては、還元剤と選択還元型触媒（以下、「ＳＣＲ触媒」という。）とを用いる還元剤ＳＣＲシステムが注目されている。
この還元剤ＳＣＲシステムは、排ガス中に供給された尿素水から分解生成したアンモニア又は未燃燃料の炭化水素（ＨＣ）を、ＳＣＲ触媒の存在下で還元剤として作用させるＳＣＲ反応により、排ガス中のＮＯｘを浄化するものである。ＳＣＲ触媒としては、鉄イオン交換アルミノシリケートや銅イオン交換アルミノシリケートなどのゼオライト触媒が広く用いられており、このゼオライト触媒を含むスラリーをセラミックハニカムなどの担体に塗布したもの、あるいはその成型体をＳＣＲコンバータとして排気管に装着して使用するようになっている。
しかし、上記のＳＣＲ触媒は、浄化すべきＮＯｘ量に対して適切な量の還元剤が吸着していないとＮＯｘの浄化率が低下するため、排ガス中のＮＯｘの大部分が浄化されずに大気中に放出されるおそれがある。
ここで、一般にディーゼルエンジンにおいては、ＮＯｘの発生量の減少と燃費とはトレードオフの関係にあることが知られている。そのため、上記のようなＳＣＲ触媒におけるＮＯｘの浄化率の低下に応じて、ディーゼルエンジンのＮＯｘの発生量を減少させようとすると、燃費が悪化してしまうことになる。
このような問題を解決するために、ＨＥＶの発電要求時において、エンジンを有害物質の排出が少なくなる動作範囲内に規制し、かつその範囲内で得られた電力をエンジンの出力アシストに利用することで、排気組成及び燃費を改善する制御装置が提案されている（特許文献１を参照）。
しかしながら、上記の制御装置では、ＨＥＶの発電要求時にのみ制御を行うため、ＮＯｘの排出量の低減及び燃費の改善にかかる効果は十分なものではない。
特開２００１−３７００８号公報
本発明の目的は、燃費を悪化させることなく、ＮＯｘの浄化率を向上することができるハイブリッド電動車両及びその制御方法を提供することにある。
上記の目的を達成する本発明のハイブリッド電動車両は、エンジン及び走行モータの少なくとも一方を駆動源とするハイブリッドシステムと、前記エンジンの排気管に上流側から順に介設された還元剤供給手段及びＳＣＲ触媒からなる排ガス浄化システムとを備えたハイブリッド電動車両であって、前記ハイブリッドシステム及び排ガス浄化システムを制御する制御手段は、前記ＳＣＲ触媒への還元剤の吸着量が予め設定された下限値よりも少ないときは、前記エンジンのエンジントルクを一定としつつ、前記エンジンの駆動力の一部を走行モータの駆動力で代替させ、前記ＳＣＲ触媒への還元剤の吸着量が予め設定された上限値よりも多いときは、前記エンジンのエンジントルクを一定としつつ、前記エンジンの駆動力の一部により走行モータを駆動して発電させることを特徴とするものである。
また、上記の目的を達成する本発明のハイブリッド電動車両の制御方法は、エンジン及び走行モータの少なくとも一方を駆動源とするハイブリッドシステムと、前記エンジンの排気管に上流側から順に介設された還元剤供給手段及びＳＣＲ触媒からなる排ガス浄化システムとを備えたハイブリッド電動車両の制御方法であって、前記ＳＣＲ触媒への還元剤の吸着量が予め設定された下限値よりも少ないときは、前記エンジンのエンジントルクを一定としつつ、前記エンジンの駆動力の一部を走行モータの駆動力で代替させ、前記ＳＣ
Ｒ触媒への還元剤の吸着量が予め設定された上限値よりも多いときは、前記エンジンのエンジントルクを一定としつつ、前記エンジンの駆動力の一部により走行モータを駆動して発電させることを特徴とするものである。
本発明のハイブリッド電動車両及びその制御方法によれば、エンジンのエンジントルクを走行モータにより低下又は増加させることにより、ＮＯｘ発生量に対してＳＣＲ触媒の吸着量を適正に制御するようにしたので、ハイブリッド電動車両におけるＮＯｘの浄化率を向上することができる。また、エンジンの駆動力の一部により走行モータを駆動する時には、そのエンジンにおける燃料消費の増加分に相当するエネルギーを電力としてバッテリに蓄えるので、車両の燃費が悪化することを防止できる。
本発明の実施形態からなるハイブリッド電動車両の構成図である。 本発明の実施形態からなるハイブリッド電動車両の制御方法を説明するフロー図である。 本発明の別の実施形態からなるハイブリッド電動車両の制御方法を説明するフロー図である。 本発明の実施形態からなるハイブリッド電動車両の構成図の別の例である。 本発明の実施形態からなるハイブリッド電動車両の構成図の更に別の例である。 ハイブリッド電動車両の運転領域の区分の例を模式的に示すグラフである。 ＳＣＲ触媒への還元剤の吸着量が不足している場合の実施例におけるハイブリッド電動車両の運転領域の変位を示すグラフである。 図７における経時変化を示すグラフである。 ＳＣＲ触媒への還元剤の吸着量が過剰であり、かつディーゼルエンジンの出力を減少させる要求があった場合の実施例におけるハイブリッド電動車両の運転領域の変位を示すグラフである。 図９における経時変化を説明するグラフである。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態からなるハイブリッド電動車両を示す。このハイブリッド電動車両（以下、「ＨＥＶ」という。）１Ａは、左右一対の駆動輪２、２に駆動力を伝達する出力軸３に、変速機４を介して連結するディーゼルエンジン５及び走行モータ６と、その走行モータ６にインバータ７を通じて電気的に接続するバッテリー８とを有するハイブリッドシステム９を備えている。変速機４とディーゼルエンジン５との間には、湿式多板クラッチ１０及び流体継手１１が順に設けられている。また、変速機４と走行モータ６との間には、駆動力を断接するモータ用クラッチ１２が介設されている。
更に、このＨＥＶ１Ａは、ディーゼルエンジン５の排ガスＧが流れる排気管１３の途中に介設されたＳＣＲコンバータ１４と、そのＳＣＲコンバータ１４の上流側に設置された尿素水又は未燃燃料の噴射ノズル１５とを有する排ガス浄化システム１６を備えている。太径のＳＣＲコンバータ１４内には、ゼオライト触媒からなるＳＣＲ触媒１７が格納されている。なお、通常は、ディーゼルエンジン５と噴射ノズル１５との間に、酸化触媒（ＤＯＣ）及び／又はＰＭ捕集フィルター（図示せず）を設けるようにする。また、ＳＣＲコンバータ１４の下流側にＤＯＣ（図示せず）を設ける場合もある。
上記のハイブリッドシステム９及び排ガス浄化システム１６は、制御手段であるＥＣＵ１８に信号線（一点鎖線で示す）を通じて接続されている。
このようなＨＥＶ１ＡにおけるＥＣＵ１８による制御方法を、図２に基づいて以下に説明する。
ＥＣＵ１８は、ディーゼルエンジン５の出力と噴射ノズル１５からの還元剤の供給量とから、ＳＣＲ触媒１７への還元剤の算出吸着量Ｋを求め（Ｓ１０）、その算出吸着量Ｋが予め設定された下限値未満であるかを判定する（Ｓ１２）。この予め設定された下限値は、ディーゼルエンジン５やＳＣＲ触媒１７の仕様などにより決定されるが、例えば普通自動車では０．１〜０．３ｇ／ｌの範囲、好ましくは０．２ｇ／ｌとなる。
算出吸着量Ｋが下限値未満である場合には、走行モータ６を回転駆動し、かつモータ用クラッチ１２を接続することで、ディーゼルエンジン５の駆動力の一部を走行モータ６の駆動力でアシストする（Ｓ１４）。この操作により、ディーゼルエンジン５のエンジントルクが減少するため、燃料消費が抑制されるとともに、排ガスＧの温度が下降し、かつＮＯｘの発生量が低下する。排ガスＧの温度が下降すると、ＳＣＲ触媒１７の温度の上昇が抑制される。ＳＣＲ触媒１７は、温度が低下すると吸着可能な還元剤の量が増加するため、還元剤の吸着が促進される。それと同時に、ディーゼルエンジン５のＮＯｘ発生量が低下するため、ＳＣＲ触媒１７への還元剤の吸着量が不足している場合でも、ＮＯｘの浄化率を向上することができる。
この走行モータ６による駆動力のアシストは、ＳＣＲ触媒１７への還元剤の吸着量が過剰にならないように、算出吸着量Ｋが下限値以上になると停止される（Ｓ２０）。
また、還元剤の算出吸着量Ｋが下限値以上である場合には、更に算出吸着量Ｋが予め設定された上限値超であるかを判定する（Ｓ２２）。この予め設定された上限値は、ディーゼルエンジン５やＳＣＲ触媒１７の仕様により決定されるが、例えば普通自動車では０．４〜０．６ｇ／ｌの範囲、好ましくは０．５ｇ／ｌとなる。
算出吸着量Ｋが上限値超であるときには、モータ用クラッチ１２を接続し、かつ走行モータ６を発電機として使用してインバータ７を通じてバッテリー８を充電する（Ｓ２４）。この操作により、ディーゼルエンジン５のエンジントルクが増加するため、燃料消費が促進されるとともに、排ガスＧの温度が上昇し、かつＮＯｘの発生量が増加する。排ガスＧの温度が上昇すると、ＳＣＲ触媒１７の温度が増加して、吸着している還元剤が揮発して吸着量が低下する。また、ＮＯｘ発生量が増加するので、ＳＣＲ触媒１７に吸着している還元剤が消費されて更に吸着量が低下する。従って、ＳＣＲ触媒１７に還元剤が過剰に吸着している場合でも、ＮＯｘの浄化率を向上させることができる。また、ＨＥＶ１Ａから外気への還元剤の放出（還元剤スリップ）を抑制することもできる。
なお、ディーゼルエンジン５における燃料消費の増加分に相当するエネルギーは、電力となってバッテリー８に蓄えられるので、車両の燃費が悪化することはない。
この走行モータ６による発電及び充電は、ＳＣＲ触媒１７への還元剤の吸着量が大きく減少することがないように、還元剤の算出吸着量Ｋが上限値以下になると停止される（Ｓ３０）。
以上のようなＥＣＵ１８による制御を行うことで、燃費を悪化させることなく、ＮＯｘの浄化率を向上することができるのである。
図３は、本発明の別の実施形態からなるハイブリッド電動車両の制御方法を示す。
この実施形態では、上記のステップＳ２２において算出吸着量Ｋが上限値超であるときに、ディーゼルエンジン５の出力を減少させる要求の有無を確認し（Ｓ２３）、その要求があったときにモータ用クラッチ１２を接続し、かつ走行モータ６を発電機として使用してバッテリー８を充電する（Ｓ２４）ようにしている。ディーゼルエンジン５の出力を減少させる要求としては、走行中のアクセルオフなどの操作が例示される。
このように、ディーゼルエンジン５の出力を減少させる要求の有無を確認するのは、ディーゼルエンジン５の出力が低下すると、排ガスＧの温度が下降し、かつＮＯｘの発生量が低下するため、ＳＣＲ触媒１７へ還元剤が過剰に吸着していると、還元剤が消費されることなくそのままＨＥＶ１Ａから外気へ放出される還元剤スリップが発生するおそれがあるからである。
従って、このようにステップＳ２３の制御を行うことで、ＨＥＶ１Ａからの還元剤スリップをより効果的に抑制することができる。
上記のいずれの実施形態においても、ステップＳ１２において算出吸着量Ｋが下限値よりも少ないときは、噴射ノズル１５からの還元剤の供給量を増加させることが望ましい。また、上記のステップＳ２２において算出吸着量Ｋが上限値超であるときには、噴射ノズル１５からの還元剤の供給量を低下させることが望ましい。
そのようにすることで、ＳＣＲ触媒１７への還元剤の吸着量の増減を促進することができるので、ＮＯｘの浄化率を更に向上することができる。
なお、上記のＨＥＶ１Ａでは、ディーゼルエンジン５と走行モータ６とを並列に配置ししているが、車両の構成はこれに限るものではなく、例えばディーゼルエンジン５と走行モータ６とを直列に配置したＨＥＶ１Ｂ（図４を参照）や、走行モータ６を一対の駆動輪２、２にそれぞれ直接的に接続したＨＥＶ１Ｃ（図５を参照）などでも良い。なお、図４、５のような、モータ用クラッチ１２が不要となる構成の場合には、ＥＣＵ１８はモータ用クラッチ１２を断接する代わりに走行モータ６の駆動力を入切する制御を行うことになる。
本発明の実施形態からなるＨＥＶ１Ａの制御方法（実施例）と、従来技術の制御方法（比較例）との比較を図６〜１１に示す。なお、これらの図においては、実施例を実線で、比較例を点線で、それぞれ示す。
本実施例では、図６に示すような、ＨＥＶ１Ａに要求されている運転に必要な負荷（以下、「要求負荷」という。）の領域を模式的に区分したマップを説明に用いる。このマップ例では、ディーゼルエンジン５のエンジン回転数とエンジントルクとをパラメータとしている。
高負荷領域は、ＨＥＶ１Ａの発進時などのアクセルを大きく踏み込む場合が該当し、また低負荷領域は、ＨＥＶ１Ａの緩やかな加速時などのアクセルをわずかに踏む込む場合が該当する。更に、高負荷領域の中央部には、ディーゼルエンジン５の排ガス温度が触媒温度を活性化温度域にする領域（以下、「最適排ガス温度運転領域」という。）が存在する。なお、回生領域は、ＨＥＶ１Ａの制動時などが該当し、回生エネルギーで走行モータ６が発電し、この発電された電力でインバータ７を通じてバッテリー８が充電される。
（１）ＳＣＲ触媒１７への還元剤の吸着量が不足している場合
図７に示すように、ＨＥＶ１Ａへの要求負荷が高負荷領域内で出発点（四角印）から到着点（丸印）へ上昇する場合を想定する。
図８に示すように、時刻ｔ０〜ｔ１にかけてアクセルが大きく踏み込まれると、比較例ではエンジントルクが上昇するに伴ってＮＯｘ発生量が増加し、その後一定となる。この時、ＳＣＲ触媒１７に吸着している還元剤が多く消費されて、吸着量の上昇率が抑えられるため、初期の還元剤の吸着量が少ないと、ＮＯｘ発生量に対して還元剤の吸着量が不足する。そのため、ＳＣＲ触媒１７におけるＮＯｘの浄化率は低くなり、ＨＥＶ１Ａから外気へのＮＯｘ排出量は増加する。その後、時刻ｔ２〜ｔ４の間で、還元剤の吸着量が追いつくので、ＮＯｘ排出量は一定となる。
これに対して実施例では、時刻ｔ１において走行モータ６によるアシストが開始されてエンジントルクが一定となり、ＮＯｘ発生量は比較例よりも低いレベルで一定となる。従って、ＳＣＲ触媒１７に吸着している還元剤の消費が少なくなって、比較例よりも吸着量の上昇率が高くなるため、初期の還元剤の吸着量が少くても、ＮＯｘ発生量に対して十分な還元剤の吸着量を確保できる。
時刻ｔ４〜ｔ５にかけては、還元剤の吸着量が十分なレベルになっているため、走行モータ６によるアシストを停止するので、実施例ではＮＯｘ発生量が増加し、ＮＯｘ排出量が増加する。しかし、還元剤の吸着量が十分であるため、ＮＯｘの排出量は比較例よりも小さくなる。
なお、還元剤の吸着量は過剰ではないた、実施例及び比較例共に還元剤スリップは発生しない。
このときのディーゼルエンジン５の運転状態の移行は、図７に示すように、実施例では、走行モータ６によるアシストを行うことで、最適排ガス温度運転領域を経由するようになる。
（２）ＳＣＲ触媒１７への還元剤の吸着量が過剰であり、かつディーゼルエンジン５の出力を減少させる要求があった場合
図９に示すように、ＨＥＶ１Ａへの要求負荷が高負荷領域内の出発点（四角印）から低負荷領域内の到着点（丸印）へ下降する場合を想定する。
図１０に示すように、時刻ｔ０〜ｔ１にかけて一定走行を行い、その後に時刻ｔ１〜ｔ２にかけてアクセルオフになると、比較例では時刻ｔ２までエンジントルクが下降した後に一定となる。そのため、ＮＯｘ発生量は、エンジントルクの低下後に一定となるので、ＳＣＲ触媒１７への還元剤の吸着量の低下率は小さくなる。このとき、還元剤の吸着量が上限値を超えると、ＨＥＶ１Ａから余剰の還元剤が排出されるようになる。ＮＯｘ発生量は、時刻ｔ２において一定となるので、その後のＮＯｘ排出量も一定となる。
これに対して実施例では、時刻ｔ１において走行モータ６による発電が開始されてエンジントルクが低下せずに一定のままとなるため、ＮＯｘ発生量も時刻ｔ１〜ｔ３の間では、比較例よりも高いレベルで一定となる。しかし、ＳＣＲ触媒１７への還元剤の吸着量が過剰であるため、ＮＯｘ発生量に対して還元剤が吸着量が十分なレベルとなるので、ＮＯｘの浄化率は維持される。また、還元剤の吸着量が過剰であっても、吸着している還元剤が多く消費されるため、還元剤スリップの発生を防止できる。
時刻ｔ３〜ｔ４にかけて走行モータ６による発電を停止しても、還元剤の吸着量が適切なレベルになっているので、還元剤スリップは発生しない。
このときのディーゼルエンジン５の運転状態の移行は、図９に示すように、実施例では、ＨＥＶ１Ａの運転状態は高負荷領域内の高いレベルで一定に推移した後に、最適排ガス温度運転領域を通過するようになる。
１Ａ〜１Ｃ ＨＥＶ
５ ディーゼルエンジン
６ 走行モータ
９ ハイブリッドシステム
１２ モータ用クラッチ
１３ 排気管
１５ 噴射ノズル
１６ 排ガス浄化システム
１７ ＳＣＲ触媒
１８ ＥＣＵ

Claims (9)

  1. エンジン及び走行モータの少なくとも一方を駆動源とするハイブリッドシステムと、前記エンジンの排気管に上流側から順に介設された還元剤供給手段及びＳＣＲ触媒からなる排ガス浄化システムとを備えたハイブリッド電動車両であって、
    前記ハイブリッドシステム及び排ガス浄化システムを制御する制御手段は、
    前記ＳＣＲ触媒への還元剤の吸着量が予め設定された下限値よりも少ないときは、前記エンジンのエンジントルクを一定としつつ、前記エンジンの駆動力の一部を走行モータの駆動力で代替させ、
    前記ＳＣＲ触媒への還元剤の吸着量が予め設定された上限値よりも多いときは、前記エンジンのエンジントルクを一定としつつ、前記エンジンの駆動力の一部により走行モータを駆動して発電させることを特徴とするハイブリッド電動車両。
  2. 前記ＳＣＲ触媒への還元剤の吸着量が予め設定された上限値よりも多いときは、前記還元剤の吸着量が前記上限値以下になるまで、前記エンジンの駆動力の一部により走行モータを駆動して発電させる請求項１に記載のハイブリッド電動車両。
  3. 前記ＳＣＲ触媒への還元剤の吸着量が予め設定された上限値よりも多く、かつ前記エンジンの駆動力を減少させる要求が発せられたときに、前記エンジンの駆動力の一部により走行モータを駆動して発電させる請求項１又は２に記載のハイブリッド電動車両。
  4. 前記ＳＣＲ触媒への還元剤の吸着量が予め設定された下限値よりも少ないときは、前記エンジンの駆動力の一部を走行モータの駆動力で代替させるとともに、前記還元剤供給手段からの還元剤の供給量を増加させる請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド電動車両。
  5. 前記ＳＣＲ触媒への還元剤の吸着量が予め設定された上限値よりも多いときは、前記エンジンの駆動力の一部により走行モータを駆動して発電させるとともに、前記還元剤供給手段からの還元剤の供給量を低下させる請求項１〜４のいずれか１項に記載のハイブリッド電動車両。
  6. 前記還元剤供給手段から供給される還元剤がアンモニア又は炭化水素である請求項１〜５のいずれか１項に記載のハイブリッド電動車両。
  7. エンジン及び走行モータの少なくとも一方を駆動源とするハイブリッドシステムと、前記エンジンの排気管に上流側から順に介設された還元剤供給手段及びＳＣＲ触媒からなる排ガス浄化システムとを備えたハイブリッド電動車両の制御方法であって、
    前記ＳＣＲ触媒への還元剤の吸着量が予め設定された下限値よりも少ないときは、前記エンジンのエンジントルクを一定としつつ、前記エンジンの駆動力の一部を走行モータの駆動力で代替させ、
    前記ＳＣＲ触媒への還元剤の吸着量が予め設定された上限値よりも多いときは、前記エンジンのエンジントルクを一定としつつ、前記エンジンの駆動力の一部により走行モータを駆動して発電させることを特徴とするハイブリッド電動車両の制御方法。
  8. 前記ＳＣＲ触媒への還元剤の吸着量が予め設定された上限値よりも多いときは、前記還元剤の吸着量が前記上限値以下になるまで、前記エンジンの駆動力の一部により走行モータを駆動して発電させる請求項７に記載のハイブリッド電動車両の制御方法。
  9. 前記ＳＣＲ触媒への還元剤の吸着量が予め設定された上限値よりも多く、かつ前記エンジンの駆動力を減少させる要求が発せられたときに、前記エンジンの駆動力の一部により走行モータを駆動して発電させる請求項７又は８に記載のハイブリッド電動車両の制御方法。
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