JP7460026B2 - ハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御方法および装置 - Google Patents

ハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御方法および装置 Download PDF

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Description

この発明は、ハイブリッド車両において内燃機関の暖機状態を維持するための内燃機関の始動・停止を制御する技術に関する。
ハイブリッド車両における内燃機関は、ハイブリッド車両の形式にもよるが、多くの形式では、常時燃焼運転されるものではなく、発電要求があったときや高い駆動力が必要な状況等に限って運転される。このような場合、内燃機関が燃焼運転していない間に内燃機関の温度が低下してしまうことは一般に好ましくない。
特許文献1には、内燃機関の冷却水温が所定温度よりも低いことが検出されたときに内燃機関を駆動状態とし、所定温度よりも高いことが検出されたときに内燃機関を非駆動状態とすることが開示されている。つまり、冷却水温を単純に所定温度と比較して始動・停止を繰り返す構成となっている。
このような構成では、内燃機関の始動・停止が頻繁に繰り返されることになり、好ましくない。
特開2005-163545号公報
この発明に係るハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御方法は、内燃機関の燃焼運転を伴わない車両のEVモード運転中に内燃機関の1つあるいは複数の温度パラメータが第1の閾値まで低下したときに内燃機関の始動を行い、上記温度パラメータが第2の閾値まで上昇したときに内燃機関を停止する。ここで、内燃機関を停止した後のEVモード運転の継続時間の目標を定め、EVモード運転中の温度低下特性に基づき、この目標の継続時間が得られるように上記第2の閾値を設定する。
このように第2の閾値を設定することで、温度パラメータが実際に第1の閾値まで低下して内燃機関の始動が行われるタイミングが、目標のEVモード運転の継続時間に対応したものとなり、内燃機関の始動・停止が頻繁に繰り返されることがない。
この発明に係る始動・停止制御が適用されるシリーズハイブリッド車両の構成説明図。 内燃機関の構成説明図。 第1実施例の代表的な走行パターンと目標の継続時間との関係を示した特性図。 外気温と温度低下率との関係を示した特性図。 触媒温度と冷却水温の変化の一例を示した説明図。 第2実施例の推定走行パターンと触媒温度と冷却水温との関係を示した特性図。 排温上昇制御を行う第3実施例の温度変化の例を示した特性図。 第4実施例のバッテリSOCの予測の説明図。 内燃機関停止後のSOC変化の説明図。
図1は、この発明が適用されるハイブリッド車両の一例としてシリーズハイブリッド車両の構成を概略的に示している。シリーズハイブリッド車両は、主に発電機として動作する発電用モータジェネレータ1と、この発電用モータジェネレータ1を電力要求に応じて駆動する発電用内燃機関として用いられる内燃機関2と、主にモータとして動作して駆動輪3を駆動する走行用モータジェネレータ4と、発電した電力を一時的に蓄えるバッテリ5と、を備えて構成されている。内燃機関2が発電用モータジェネレータ1を駆動することによって得られた電力は、図示しないインバータ装置を介してバッテリ5に蓄えられる。走行用モータジェネレータ4は、バッテリ5の電力を用いて駆動制御される。走行用モータジェネレータ4の回生時の電力は、やはり図示しないインバータ装置を介してバッテリ5に蓄えられる。
モータジェネレータ1,4の動作やバッテリ5の充放電および内燃機関2の運転は、コントローラ6によって制御される。コントローラ6は、モータジェネレータ1,4を制御するモータコントローラ7や内燃機関2を制御するエンジンコントローラ8、バッテリ5を管理するバッテリコントローラ9など、互いに通信可能なように接続された複数のコントローラによって構成されている。コントローラ6には、図示しないアクセルペダルの開度や車速等の情報が入力される。またバッテリコントローラ9は、バッテリ5の電圧・電流に基づいてバッテリ5のSOCを求める。基本的には、このSOCの低下に基づいてエンジンコントローラ8に内燃機関2の始動が要求される。このようなシリーズハイブリッド車両の運転モードとしては、内燃機関2の燃焼運転を伴わずにバッテリ5の電力でもって走行するEVモードと、内燃機関2の燃焼運転による発電を行いながら走行を行うHEVモードと、がある。
また一実施例の車両は、自車両の位置ならびにこれから走行する道路や周囲環境の情報を得るために高精度な地図情報を含むGPSを利用したカーナビゲーションシステム10を備えている。また、同様に前方ないし周囲の環境の情報を得るためにカメラ等の1つあるいは複数の情報取得デバイス11を備えている。このほか、いわゆるコネクテッドカーとして情報通信機能を用いて外部との間で種々の情報の授受を常時行うコネクテッドシステムを有していてもよい。
図2は、内燃機関2のシステム構成を示している。この内燃機関2は、例えばターボチャージャ12を備えた4ストロークサイクルの火花点火式内燃機関であって、各シリンダ13の天井壁面に、一対の吸気弁14および一対の排気弁15が配置されているとともに、これらの吸気弁14および排気弁15に囲まれた中央部に点火プラグ16が配置されている。吸気弁14の下方には、シリンダ13内へ燃料を供給する燃料噴射弁17が設けられている。点火プラグ16の点火時期および燃料噴射弁17による燃料の噴射時期ならびに噴射量はエンジンコントローラ8によって制御される。
吸気通路21は、吸気コレクタ21aを有し、この吸気コレクタ21aよりも上流側に、エンジンコントローラ8からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ22が設けられている。スロットルバルブ22の上流側に、ターボチャージャ12のコンプレッサ12aが位置し、このコンプレッサ12aよりも上流に、吸入空気量を検出するエアフロメータ24およびエアクリーナ25が配設されている。コンプレッサ12aとスロットルバルブ22との間には、高温高圧となった吸気を冷却するために、例えば水冷式のインタークーラ26が設けられている。また、コンプレッサ12aの吐出側と吸入側とを連通するようにリサーキュレーションバルブ27が設けられている。
排気通路30には、ターボチャージャ12のタービン12bが位置し、その下流側にそれぞれ三元触媒からなるプリ触媒装置31およびメイン触媒装置32が配設されている。プリ触媒装置31はタービン12bの出口に配置されており、メイン触媒装置32は車両の床下に配置されている。排気通路30のタービン12bよりも上流側に、空燃比を検出する空燃比センサ33が配置されている。タービン12bは、過給圧を制御するために過給圧に応じて排気の一部をバイパスするウェストゲートバルブ34を備えている。ウェストゲートバルブ34は、例えば、エンジンコントローラ8によって開度が制御される電動型の構成のものが用いられている。
また、排気通路30から吸気通路21へ排気の一部を還流する排気還流通路35を備えており、この排気還流通路35には、例えば水冷式のEGRガスクーラ37と、EGRバルブ38と、が設けられている。
上記エンジンコントローラ8には、上記のエアフロメータ24、空燃比センサ33のほか、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ41、冷却水温を検出する水温センサ42、プリ触媒装置31およびメイン触媒装置32の触媒温度をそれぞれ検出する触媒温度センサ43,44、大気圧を検出する大気圧センサ45、外気温を検出する外気温センサ46、過給圧を検出する過給圧センサ47、等のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ8は、これらの検出信号や他のコントローラ7,9からの要求に基づき、燃料噴射量および噴射時期、点火時期、スロットルバルブ22の開度、過給圧、等を最適に制御している。なお、触媒温度センサ43,44としては、触媒の担体温度を直接に検出することに代えて、前後のガス温度等から間接的に触媒温度を求めるものであってもよい。
内燃機関2は、基本的には、バッテリ5のSOCが所定の始動SOC値まで低下したときに始動され、SOCが十分なレベルに達したら内燃機関2は停止する。また、このような発電要求に基づく内燃機関2の始動・停止に加えて、内燃機関2は、当該内燃機関2の暖機状態を適当に維持するために始動・停止がなされる。一実施例においては、内燃機関2の暖機状態を示す温度パラメータとして、触媒温度と冷却水温とが監視される。触媒温度としては、一例では触媒温度センサ43が検出するプリ触媒装置31の温度が代表として用いられるが、メイン触媒装置32の温度であってもよい。
図5は、車両走行中の(a)触媒温度と(b)冷却水温とに基づく内燃機関2の基本的な始動・停止を示したものである。例えば触媒温度が第1の閾値に相当する所定の活性温度TC1にまで低下したら内燃機関2が始動される。その後、内燃機関2の運転に伴い、触媒温度が第2の閾値に相当する運転終了温度TC2にまで上昇したら内燃機関2は停止する。内燃機関2が停止すると、自然放熱や走行風による冷却作用等により触媒温度は徐々に低下する。触媒温度が活性温度TC1にまで低下したら、再び内燃機関2が始動される。このような繰り返しにより、触媒温度は活性温度TC1以上に維持される。内燃機関2の停止中は、前述したEVモードでの走行となる。
冷却水温についても同様であり、冷却水温が第1の閾値に相当する所定の下限水温TW1にまで低下したら内燃機関2が始動される。その後、内燃機関2の運転に伴い、冷却水温が第2の閾値に相当する運転終了温度TW2にまで上昇したら内燃機関2は停止する。内燃機関2が停止すると、自然放熱や走行風による冷却作用等により冷却水温は徐々に低下する。冷却水温が下限水温TW1にまで低下したら、再び内燃機関2が始動される。このような繰り返しにより、冷却水温は下限水温TW1以上に維持される。下限水温TW1は、例えば、一般的な内燃機関の暖機完了温度と同程度の温度に設定される。
なお、触媒温度が活性温度TC1にまで低下するタイミングと冷却水温が下限水温TW1にまで低下するタイミングはできるだけ一致していることが望ましいが、両者が異なる場合、一実施例においては、いずれか一方でも活性温度TC1もしくは下限水温TW1に低下したときに内燃機関2を始動する。双方が活性温度TC1および下限水温TW1に低下したときに内燃機関2を始動するようにしてもよい。
同様に、触媒温度が運転終了温度TC2に達するタイミングと冷却水温が運転終了温度TW2に達するタイミングはできるだけ一致していることが望ましいが、両者が異なる場合、一実施例においては、触媒温度と冷却水温の双方が運転終了温度TC2,TW2に達したときに内燃機関2を停止する。いずれか一方が運転終了温度TC2,TW2に達したときに内燃機関2を停止するようにしてもよい。
ここで、運転終了温度TC2,TW2は、内燃機関2を停止した後のEVモード運転の継続時間(内燃機関2の停止から次の始動までの時間)が所望の目標継続時間となるように、触媒温度および冷却水温の各々のEVモード運転中の温度低下特性に基づいて設定される。
本発明の第1実施例においては、目標とするEVモード運転の継続時間が、図3に例示したような市場を代表する走行パターン(例えばWLTC等)の統計学的処理を参考にして予め固定値として与えられる。例えば、図3に例示した走行パターンでは、その中の比較的に穏やかな運転がなされる期間に対応して目標とするEVモード運転の継続時間Tevが設定される。一例では、目標の継続時間Tevは、数分程度となり得る。
次に、触媒温度および冷却水温の各々について、EVモード運転中の温度低下特性として、単位時間当たりの温度低下率Rが与えられる。なお、触媒温度の温度低下率をRa、冷却水温の温度低下率をRbとする。温度低下率Rは、実験的に求めた一定値であってもよいが、一実施例においては、外気温および車速の少なくとも一方の関数として求める。図4は、例えば外気温に対する温度低下率Rの特性を示し、外気温が低いほど温度低下率Rが大となる。車速についても同様であり、車速が高いほど温度低下率Rが大となる。また、冷却水温の温度低下率Rbについては、車室空調装置における暖房スイッチのオン、オフ状態に応じて異なる値としてもよい。つまり暖房スイッチがオンであるときは、暖房用に熱が消費されるため、温度低下率Rbが相対的に大となる。勿論、温度低下率Rを求めるに際して、上記の外気温、車速、暖房スイッチのオン、オフ以外の条件を考慮するようにしてもよい。
触媒温度についての運転終了温度TC2は、活性温度TC1との温度差ΔTC(=TC2-TC1)が「ΔTC=Ra×Tev」となるように設定される。同様に、冷却水温についての運転終了温度TW2は、下限水温TW1との温度差ΔTW(=TW2-TW1)が「ΔTW=Rb×Tev」となるように設定される。
このように運転終了温度TC2,TW2を設定することで、図5から容易に理解できるように、内燃機関2の燃焼運転を停止したときに触媒温度および冷却水温の各々が運転終了温度TC2,TW2となっていれば、理想的には、次に触媒温度および冷却水温が活性温度TC1および下限水温TW1に低下するまでに目標とするEVモード運転の継続時間Tevが確保される。そして、触媒温度が活性温度TC1となるタイミングと冷却水温が下限水温TW1となるタイミングとが互いに一致することとなる。
次に、自車両の走行経路に沿った走行パターンを推定し、この走行パターンから好ましい始動時期および停止時期を決定するようにした第2実施例を、図6に基づいて説明する。実施例の車両は、自車両の位置ならびにこれから走行する道路や周囲環境の情報を得るために高精度な地図情報を含むカーナビゲーションシステム10を備えており、さらに情報取得デバイス11やコネクテッドシステムを介して種々の情報を得ることができる。コントローラ6は、これらの道路情報やこれまでの自車両の走行データ、交通統計データ等を用いて、例えば図6の上段に例示するような走行パターンを予測するとともに、この予測された走行パターンの中で自車両について燃費を最適化できる始動・停止のタイミング(換言すれば、EVモード運転とすべき期間)を決定する。図6中の「EV1」、「EV2」、「EV3」は、予測された走行パターンの中でEVモード運転とすべき期間を示している。つまり、この第2実施例では、目標とするEVモード運転の継続時間Tevが予測の走行パターンに基づき動的に与えられることとなる。
触媒温度および冷却水温についての運転終了温度TC2,TW2は、前述した第1実施例と同様に、目標とするEVモード運転の継続時間Tevと温度低下率Ra,Rbとに基づいて決定される。図6に明らかなように、「EV1」、「EV2」、「EV3」の各期間(時間)の長さが異なるので、「EV1」、「EV2」、「EV3」の各々で運転終了温度TC2,TW2は異なる値となる。逆に言えば、運転終了温度TC2,TW2を各々適切に設定することで、目標とするEVモード運転の継続時間が「EV1」、「EV2」、「EV3」として示すように各々適切に得られることとなる。図6には、「EV1」、「EV2」、「EV3」の各々に対する運転終了温度を「TC2_EV1」等として示してある。
次に、図7に基づいて触媒温度を冷却水温と同時に運転終了温度TC2に到達させるための排温上昇制御を含む第3実施例について説明する。内燃機関2を停止しようとするタイミングに触媒温度および冷却水温の双方がちょうど運転終了温度TC2,TW2に到達することがエネルギ消費を最少とする上で好ましい。一般的に、冷却水温変化の応答性は触媒温度変化の応答性よりも低いので、内燃機関2の停止の判断は、冷却水温が運転終了温度TW2に到達することを待つ形となるが、過度に先行して触媒温度が運転終了温度TW2に到達していると、無駄に排気熱を棄てることになる。そのため、第3実施例においては、触媒温度を活性温度TC1よりも過度に高く上昇させずに冷却水温の上昇をモニタし、冷却水温が運転終了温度TW2に近付いたタイミングで排温上昇制御を開始する。この排温上昇制御により触媒温度が急上昇するので、冷却水温とほぼ同時に運転終了温度TC2に到達する。排温上昇制御は、例えば点火時期リタードやその他の公知の手法で実現できる。
このように冷却水温が運転終了温度TW2に到達する直前に触媒温度を運転終了温度TC2まで速やかに上昇させることで、不必要な排気熱の損失を抑制できる。
次に、図8および図9に基づいて、SOCの低下に基づく内燃機関2の始動をも考慮してEVモード運転の継続時間を最大限に長く得られるようにした第4実施例について説明する。暖機状態の維持のために内燃機関2を駆動すると、発電用モータジェネレータ1による発電がなされるので、バッテリ5のSOCは多くの場合は上昇する。図8は、内燃機関2の燃焼運転に伴うバッテリ5のSOCの推定のロジックをブロック図として示したものであり、平均発電量から平均消費電力を減算し、現在のバッテリ5の残量(つまり現在のSOC)と加算することで、内燃機関2の燃焼運転をある時間継続した後のバッテリ5の残量(つまり運転停止時のSOC)を推定することができる。
図9は、内燃機関2の燃焼運転とEVモード運転とによるバッテリ5のSOCの変化の一例を示している。特に、前述したEVモード運転の目標の継続時間Tevを比較的短く設定した場合(つまり運転終了温度TC2,TW2が比較的低い)と目標の継続時間Tevを比較的長く設定した場合(つまり運転終了温度TC2,TW2が比較的高い)とを対比して示している。
線L1は、目標の継続時間Tevを短く設定した例であり、点P1として示す点において内燃機関2が停止(つまり発電終了)し、EVモード運転によるSOC低下に転じる。このような場合、内燃機関2の停止後、比較的早期に発電要求による内燃機関2の始動が生じ(n1秒)、触媒温度や冷却水温の点では始動要求までに余裕があるにも拘わらず内燃機関2の始動が開始されることがある。つまり、運転終了温度TC2,TW2に対応したEVモード運転の継続時間が得られない。
線L2は、目標の継続時間Tevを長く設定した例であり、点P2として示す点において内燃機関2が停止(つまり発電終了)し、EVモード運転によるSOC低下に転じる。この場合は、停止時のSOCが高いことから発電要求が生じるまでの時間が長くなり(n2秒)、触媒温度や冷却水温が先に活性温度TC1ないし下限水温TW1に低下し、暖機のための始動要求が発生し得る。
従って、線L1と線L2との間(換言すれば点P1と点P2との間)に最適な内燃機関2の停止タイミングが存在し、この最適な停止タイミングからEVモード運転に移行すれば、SOC低下に基づく始動要求のタイミングと内燃機関2の温度低下(活性温度TC1ないし下限水温TW1の低下)に基づく始動要求のタイミングとが互いに一致することとなる。このように2つの条件に基づく始動要求のタイミングが一致する条件が、EVモード運転の継続時間を最大限とし得る条件である。
コントローラ6は、2つの始動要求のタイミングを逐次予測し、両者が一致するように目標の継続時間Tevおよび対応した終了温度TC2,TW2を求めるのである。
以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施例では、シリーズハイブリッド車両を例に説明したが、EVモード運転が可能な形式のハイブリッド車両であれば、これに広く適用することができる。
また、上記実施例では、温度パラメータとして触媒温度および冷却水温を例に説明したが、いずれか一方のみを対象とするものであってもよく、またこれら以外の温度パラメータを対象とするものであってもよい。
また、内燃機関2の始動を規定する第1の閾値は必ずしも固定値であるものには限定されない。第1の閾値が何らかの条件で変化するような場合には、これに応じて第2の閾値を変化させればよい。
また、必ずしもエンジン始動・停止のタイミングが車両内のコントローラ6において決断される必要はなく、場合によってはコネクテッドサービス、例えばクラウド環境側から自車両の走行計画や走行パターン分析に基づいて提供されるものであっても構わない。すなわち、エンジンに対し最終的な始動・停止指示を出すのは車載コントローラ6であっても、始動・停止時期の決断機能は必ずしも車両が保持していなくても良い。

Claims (9)

  1. 内燃機関の燃焼運転を伴わない車両のEVモード運転中に内燃機関の1つあるいは複数の温度パラメータが第1の閾値まで低下したときに内燃機関の始動を行い、上記温度パラメータが第2の閾値まで上昇したときに内燃機関を停止する、ハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御方法であって、
    内燃機関を停止した後のEVモード運転の継続時間の目標を定め、EVモード運転中の温度低下特性に基づき、この目標の継続時間が得られるように上記第2の閾値を設定し、
    ここで、上記温度低下特性は、外気温および車速の少なくとも一方の関数として与えられる、
    ハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御方法。
  2. 上記の目標の継続時間は、予め所定値に定められている、
    請求項1に記載のハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御方法。
  3. (削除)
  4. 内燃機関の燃焼運転を伴わない車両のEVモード運転中に内燃機関の1つあるいは複数の温度パラメータが第1の閾値まで低下したときに内燃機関の始動を行い、上記温度パラメータが第2の閾値まで上昇したときに内燃機関を停止する、ハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御方法であって、
    内燃機関を停止した後のEVモード運転の継続時間の目標を定め、EVモード運転中の温度低下特性に基づき、この目標の継続時間が得られるように上記第2の閾値を設定する、ハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御方法において、
    内燃機関の始動後、内燃機関の運転による発電とEVモード運転による電力消費との電力収支から内燃機関の運転を停止したときのバッテリのSOCを予測し、
    この予測されるSOCからEVモード運転を行ったときのSOC低下に基づく内燃機関の始動要求の時期を予測し、
    このSOC低下に基づく内燃機関の始動要求の時期と温度パラメータに基づく始動とが一致するように、EVモード運転の継続時間の目標を定める、
    ハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御方法。
  5. 内燃機関の燃焼運転を伴わない車両のEVモード運転中に内燃機関の1つあるいは複数の温度パラメータが第1の閾値まで低下したときに内燃機関の始動を行い、上記温度パラメータが第2の閾値まで上昇したときに内燃機関を停止する、ハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御方法であって、
    内燃機関を停止した後のEVモード運転の継続時間の目標を定め、EVモード運転中の温度低下特性に基づき、この目標の継続時間が得られるように上記第2の閾値を設定する、ハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御方法において、
    自車両の走行経路に沿った走行パターンを推定し、
    この走行パターンから好ましい始動時期および停止時期を決定し、
    この始動時期と停止時期との間を目標の継続時間として上記第2の閾値を設定する、
    ハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御方法。
  6. 上記温度パラメータは、内燃機関の冷却水温である、請求項1、2、4、5のいずれかに記載のハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御方法。
  7. 上記温度パラメータは、内燃機関の触媒温度である、請求項1、2、4、5のいずれかに記載のハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御方法。
  8. 上記温度パラメータとして内燃機関の冷却水温と触媒温度とを含み、
    冷却水温と触媒温度との各々について第1の閾値および第2の閾値を備え、
    内燃機関の始動後、冷却水温が第2の閾値に近付いたときに内燃機関の排温上昇制御を実行して触媒温度を第2の閾値に到達させる、
    請求項1に記載のハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御方法。
  9. 内燃機関と、この内燃機関によって駆動される発電機と、コントローラと、を備え、上記コントローラは、内燃機関の燃焼運転を伴わない車両のEVモード運転中に内燃機関の1つあるいは複数の温度パラメータが第1の閾値まで低下したときに内燃機関の始動を行い、上記温度パラメータが第2の閾値まで上昇したときに内燃機関を停止する、ハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御装置であって、
    内燃機関を停止した後のEVモード運転の継続時間の目標を定め、EVモード運転中の温度低下特性に基づき、この目標の継続時間が得られるように上記第2の閾値を設定し、ここで、上記温度低下特性は、外気温および車速の少なくとも一方の関数として与えられる、
    ハイブリッド車両における内燃機関の始動・停止制御装置。
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