JP6160213B2 - ハイブリッド機関及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明はハイブリッド機関及びその制御方法に関し、更に詳しくは、従来よりも燃費を悪化させることなく、ＰＭ再生を常時行うことができるハイブリッド機関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電動モータで代替するハイブリッドシステムを備えた機関（以下、「ハイブリッド機関」という。）が注目されている。このハイブリッド機関の代表的な適用先には、ハイブリッド自動車や固定式のハイブリッド発電機などがある。
ハイブリッド機関の内燃機関にディーゼルエンジンを用いる場合には、従来と同じく、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ーによりＰＭを捕集するＰＭ捕集フィルターが主に用いられている。また、後者のＮＯｘについては、還元剤触媒システムやＮＯｘ吸蔵還元触媒などが実用化されている。
上記のＰＭ捕集フィルターは、排ガス中のＰＭをフィルタで捕集して浄化するものであるが、フィルターの目詰まりを防ぐために、捕集限界量に達する前にＰＭを燃焼させて除去する必要がある（例えば、特許文献１を参照）。
排ガスの温度が５００℃以上などの高温であるときには、ＰＭは連続的に自然燃焼する。しかし、排ガスの温度が低温のときには、排ガス中に未燃燃料を供給して、未燃燃料の炭化水素（ＨＣ）をフィルターの前段に配置された酸化触媒（ＤＯＣ）で燃焼させ、その酸化反応熱を利用してＤＯＣを６００℃程度に加熱することで排ガスを昇温してＰＭを強制的に燃焼させるＰＭ再生が必要となる。
従来は、ＰＭ再生を行う際には、ＤＯＣを未燃燃料が燃焼する活性化温度（例えば、約３００〜４００℃）まで昇温させるために、内燃機関の出力を増加させるなどして、前もって排ガスの温度を高める操作を行う必要があった。そのため、ＰＭ再生を行うことができる時期が限られるとともに、内燃機関の燃費の悪化を招くという問題があった。
特開２００５−１６３１７号公報
本発明の目的は、従来よりも燃費を悪化させることなく、ＰＭ再生を常時行うことができるハイブリッド機関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機関は、請求項１〜４に記載のハイブリッド機関である。
また、上記の目的を達成する本発明のハイブリッド機関の制御方法は、請求項５〜７に記載のハイブリッド機関の制御方法である。
本発明のハイブリッド機関及びその制御方法によれば、従来のように内燃機関（すなわち、エンジン）の排ガスの温度を高める操作を行う必要がないため、燃費を向上することができる。また、内燃機関の運転状態にかかわりなく、酸化触媒を昇温できるので、ＰＭ再生を常時行うことができる。
本発明の実施形態からなるハイブリッド機関の構成図である。 電熱体の例を示す断面図である。 電熱体の他の例を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態からなるハイブリッド機関の制御方法を説明するフロー図である。 本発明の第２の実施形態からなるハイブリッド機関の制御方法を説明するフロー図である。
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機関を駆動源とするハイブリッド車両の構成を示す。
このハイブリッド車両（以下、「ＨＥＶ」という。）１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及び電動モータ６と、その電動モータ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と電動モータ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ＨＥＶ１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触媒コンバータ１４と、その触媒コンバータ１４の上流側に設置された未燃燃料供給手段である噴射ノズル１５とを有する排ガス浄化システム１６を備えている。太径の触媒コンバータ１４内には、前段に酸化触媒（ＤＯＣ）１７が配置されたＰＭ捕集フィルター１８が格納されている。なお、未燃燃料供給手段としては、噴射ノズル１５の代わりに、ディーゼルエンジン５の気筒への燃料噴射におけるポスト噴射を用いることもできる。
ＤＯＣ１７は、排ガスＧの混合機能を有する構造に成形した金属製の担持体に、ロジウム、酸化セリウム、白金、酸化アルミニウム等を担持して形成される。また、ＰＭ捕集フィルター１８は、多孔質セラミック製のハニカムのチャンネル（セル）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型のウオールフロータイプのフィルターから形成される。なお、このフィルターに、白金、パラジウム及びロジウムなどの貴金属からなる酸化触媒と、酸化セリウム等からなるＰＭ酸化触媒とを担持させる場合もある。
この触媒コンバータ１４の入口近傍及び出口近傍には、入口圧力センサ１９及び出口圧力センサ２０が、それぞれ設置されている。これらの入口圧力センサ１９及び出口圧力センサ２０は、触媒コンバータ１４における排ガスＧの差圧を測定することで、ＰＭ捕集フィルター１８のＰＭ再生を行うタイミングを確認することを目的としている。
このようなＨＥＶ１において、切替スイッチ２１を介してインバータ７及びバッテリー８に切替可能に電気的に接続された電熱体２２が、ＤＯＣ１７の前面に対向するように配置されている。この電熱体２２の形状は特に限定するものではないが、電熱線２３を円状に複数巻き回した形状（図２を参照）や、円板２４に排ガスＧの通気孔２５を複数設けた形状（図３を参照）などが好ましく例示される。また、切替スイッチ２１としては、電熱体２２に接続する接点ｃを共通接点とする２回路２接点で中点ＯＦＦ（ＯＮ−ＯＦＦ−ＯＮ）の回路スイッチが例示される。なお、図１では、切替スイッチ２１が中点ＯＦＦの状態を示している。
更に、触媒コンバータ１４の入口近傍には、排ガスＧの温度を測定する温度センサ２６が設置されている。この温度センサ２６により、直接的な測定が困難であるＤＯＣ１７の温度を推定することが可能となる。
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の各部品、並びに切替スイッチ２１及び温度センサ２６は、制御手段であるＥＣＵ２７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ＨＥＶ１におけるＥＣＵ２７による制御方法の第１の実施形態を、図４に基づいて以下に説明する。
ＥＣＵ２７は、入口圧力センサ１９及び出口圧力センサ２０の測定値から触媒コンバータ１４における排ガスＧの差圧Ｐを算出し（Ｓ１０）、その差圧Ｐが予め設定されたしきい値以上であるかを判定する（Ｓ１２）。差圧Ｐがしきい値以上であるときには、ＰＭ捕集フィルター１８が再生待ち状態になったと判断し、更に温度センサ２６の測定値ＴがＤＯＣ１７の活性化温度の下限値（例えば、３００℃）未満であるかを確認する（Ｓ１４）。
温度センサ２６の測定値Ｔが活性化温度の下限値未満であるときには、ＨＥＶ１において電動モータ６の発電が行われているかを確認する（Ｓ１６）。
そして、ＨＥＶ１において電動モータ６の発電が行われていない場合（例えば、通常走行時や停止時など）には、バッテリー８に充電されている電力が電熱体２２へ供給されるように切替スイッチ２１をバッテリー８側の端子へ切り替える（Ｓ１８）。
一方、ＨＥＶ１において電動モータ６の発電が行われている場合（例えば、制動時やアイドリング時など）には、電動モータ６が発電する電力が電熱体２２へ供給されるように切替スイッチ２１を電動モータ６側６の端子へ切り替える（Ｓ２２）。このとき、電動モータ６が発電する電力を電熱体２２へ直接供給するので、バッテリー８における充電損失を回避して、有効に電力を使用することができる。
上記のように電熱体２２へ電力が供給されると電熱体２２が発熱するので、ＤＯＣ１７へ流入する排ガスＧの温度が上昇し、かつ電熱体２２の放射熱によりＤＯＣ１７自体も加熱されるため、ＤＯＣ１７は活性化温度の下限値以上の温度に早期に昇温される。
そして、ＤＯＣ１７の温度が活性化温度の下限値以上になったかを判定し（Ｓ２４）、下限値以上になったときには、電熱体２２への電力の供給が停止されるように切替スイッチ２１を中点に切り替えてから（Ｓ２６）、噴射ノズル１５からの未燃燃料の供給を開始する（Ｓ２８）。これにより、未燃燃料がＤＯＣ１７内で燃焼し、その酸化反応熱でＤＯＣ１７が高温に維持されて、通過する排ガスＧが昇温されるので、ＰＭ再生が開始されてＰＭ捕集フィルター１８内のＰＭが燃焼除去される。
最後に、ＰＭ再生が終了したか否かを判定し（Ｓ３０）、ＰＭ再生が終了していれば未燃燃料の供給を停止して制御を終了する。このＰＭ再生終了の判定方法としては、予め設定された時間の経過時や、触媒コンバータ１４における排ガスＧの差圧Ｐに基づく方法などが例示される。
このようにすることで、従来のようにディーゼルエンジン５側で排ガスＧの温度を高める操作を行う必要がないため、ＨＥＶ１の燃費を向上することができる。また、ＨＥＶ１の運転状態にかかわりなくＤＯＣ１７を活性化温度の下限値以上に昇温できるので、ＰＭ再生を常時行うことができる。
ＨＥＶ１におけるＥＣＵ２７による制御方法に係る第２の実施形態を、図５に基づいて以下に説明する。
上記の第１の実施形態においては、ＨＥＶ１において電動モータ６の発電が行われていないとしてステップ１８以降が選択された場合には、バッテリー８の充電容量が限られているため、排ガスＧの温度やＤＯＣ１７の条件などによっては、バッテリー８から供給される電力だけでは、ＤＯＣ１７を活性化温度まで昇温できないケースや、昇温できても長時間かかるケースなどが発生するおそれがある。
そのため、本実施形態では、ステップ１８の後にバッテリー８のＳＯＣ（充電容量）が予め定められた値（所定値）以上であるかを確認し（Ｓ１９）、所定値未満であるときには、モータ用クラッチ１２を接続して（Ｓ２０）、ディーゼルエンジン５の駆動力の一部を用いて電動モータ６を発電させて、その電力が電熱体２２へ供給されるように切替スイッチ２１を電動モータ６側の端子へ切り替える（Ｓ２１）ようにする。このとき、モータ用クラッチ１２を接続することにより、ディーゼルエンジン５に負荷がかかるので、排ガスＧの温度が上昇するため、ＤＯＣ１７の昇温速度が増加する。なお、ＳＯＣの所定値としては、ＨＥＶ１の運転に影響を与えるおそれのある充電容量値（例えば、約１０〜２０％）などが例示される。
このように本実施形態では、第１の実施形態よりも確実かつ早期にＰＭ再生を行うことができる。
本発明のハイブリッド機関及びその制御方法は、上述したハイブリッド車両などの移動体に限らず、固定式の動力発生機や発電機などにも適用される。
１ ＨＥＶ
５ ディーゼルエンジン
６ 電動モータ
８ バッテリー
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 ＤＯＣ
１８ ＰＭ捕集フィルター
２１ 切替スイッチ
２２ 電熱体
２７ ＥＣＵ

Claims (7)

  1. バッテリーに接続された電動モータ及びエンジン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介設された前段に酸化触媒を有するＰＭ捕集フィルターからなる排ガス浄化システムと、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とを有するハイブリッド機関において、
    前記バッテリー及び電動モータに切替スイッチを介して切替可能に接続する電熱体を、前記酸化触媒の前面に対向して配置し、
    前記制御手段は、前記ＰＭ捕集フィルターが再生待ち状態になり、かつ前記酸化触媒の温度が該酸化触媒の活性化温度未満であるときは、前記切替スイッチを制御して、前記バッテリーに蓄えられた電力又は前記電動モータが発電する電力を前記電熱体に供給して発熱させることで、前記酸化触媒を前記活性化温度以上に昇温し、
    前記制御手段は、前記電動モータが発電する電力を前記電熱体に供給する場合において、前記エンジンの駆動力の一部により前記電動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機関。
  2. 前記制御手段は、前記電動モータの発電の有無に応じて前記切替スイッチを制御する請求項１に記載のハイブリッド機関。
  3. 前記ハイブリッド機関は、前記排気管内に未燃燃料を供給する未燃燃料供給手段を備え、
    前記制御手段は、前記酸化触媒が前記活性化温度に到達したときに、前記電熱体への電力の供給を停止するとともに、前記未燃燃料供給手段を起動させる請求項１又は２に記載のハイブリッド機関。
  4. バッテリーに接続された電動モータ及びエンジン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介設されたＰＭ捕集フィルター及び前記ＰＭ捕集フィルターの上流に配置された酸化触媒と、制御手段とを有するハイブリッド機関において、
    前記電動モータに電気的に接続されるとともに、前記酸化触媒よりも上流に配置された電熱体を備え、
    前記制御手段は、前記酸化触媒の温度が所定温度未満であるときに、前記エンジンの駆動力の一部により前記電動モータを駆動して発電させるとともに、前記電動モータが発電する電力を前記電熱体に供給することを特徴とするハイブリッド機関。
  5. バッテリーに接続された電動モータ及びエンジン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介設された前段に酸化触媒を有するＰＭ捕集フィルターからなる排ガス浄化システムとを有するハイブリッド機関の制御方法において、
    前記ＰＭ捕集フィルターが再生待ち状態になり、かつ前記酸化触媒の温度が該酸化触媒の活性化温度未満であるときは、前記バッテリーに蓄えられた電力又は前記電動モータが発電する電力を、前記酸化触媒の前面に対向して配置された電熱体に供給して発熱させることで、前記酸化触媒を前記活性化温度以上に昇温し、
    前記電動モータが発電する電力を前記電熱体に供給する場合において、前記エンジンの駆動力の一部により前記電動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機関の制御方法。
  6. 前記酸化触媒が活性化温度に到達したときに、前記電熱体への電力の供給を停止するとともに、前記排気管内に未燃燃料を供給する請求項５に記載のハイブリッド機関の制御方法。
  7. バッテリーに接続された電動モータ及びエンジン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介設されたＰＭ捕集フィルター及び前記ＰＭ捕集フィルターの上流に配置された酸化触媒と、を有するハイブリッド機関の制御方法において、
    前記ハイブリッド機関は、前記電動モータに電気的に接続されるとともに、前記酸化触媒よりも上流に配置された電熱体を備え、
    前記酸化触媒の温度が所定温度未満であるときに、前記エンジンの駆動力の一部により前記電動モータを駆動して発電させるとともに、前記電動モータが発電する電力を前記電熱体に供給することを特徴とするハイブリッド機関の制御方法。
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