JPWO2020049625A1 - ハイブリッド車両の制御方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

発電用モータジェネレータ（１）と、発電用内燃機関（２）と、走行用モータジェネレータ（４）と、バッテリ（５）と、インバータ装置（６）と、を備えたシリーズハイブリッド車が開示される。内燃機関（２）は、可変圧縮比機構（１２）を有する。走行用モータジェネレータ（４）が回生制動動作したときにインバータ装置（６）の充電状態（ＳＯＣ）が所定レベル（ＳＯＣ１）以上である場合には、可変圧縮比機構（１２）の電動アクチュエータ（４６）を動作させて機械的圧縮比を高低変化させ、余剰の回生電力を消費する。

Description

この発明は、可変圧縮比機構を有する内燃機関を備えたハイブリッド車両の制御方法および制御装置に関する。

特許文献１には、内燃機関が駆動する発電機によって発電し、発電した電力を用いて電動機を駆動することで走行を行うシリーズハイブリッド車両において、減速時に電動機が回生動作したときに、バッテリが満充電状態となった以降は回生電力でもって発電機を介して内燃機関を逆に駆動する技術が開示されている。すなわち、バッテリが満充電状態となった以降は、余剰の回生電力を内燃機関の回転駆動（いわゆるモータリング）によって消費し、電動機による回生制動を可能としている。

しかしながら、このような従来の手法では、例えば車両が長い下り坂を回生制動を伴って走行しているような場合に、バッテリが満充電状態となるまでは停止していた内燃機関が、バッテリが満充電状態となったときに急に回転し始めるため、運転者や乗客に違和感を与える、という問題がある。

特開平８−７９９１４号公報

この発明は、内燃機関が電動アクチュエータを用いた可変圧縮比機構を有するハイブリッド車両において、バッテリが所定レベル以上の充電状態にある状態でモータジェネレータが回生動作したときに、発生した電力を上記可変圧縮比機構の電動アクチュエータを動作させて消費するようにした。

可変圧縮比機構の電動アクチュエータが動作して内燃機関の機械的圧縮比が変化しても、運転者や乗客が体感するような変化は一般に生じない。仮に電動アクチュエータの動作音が僅かに生じるとしても、この電動アクチュエータの動作音は、内燃機関のモータリングに伴う機械音に比較して遙かに小さい。従って、運転者や乗客に違和感を与えることなく回生時の余剰電力を吸収することができる。

一実施例のシリーズハイブリッド車の構成説明図。 可変圧縮比機構を備えた内燃機関の構成説明図。 回生制御の処理を示すフローチャート。

以下、この発明をシリーズハイブリッド車に適用した一実施例について説明する。

図１は、一実施例のシリーズハイブリッド車の構成を概略的に示している。このシリーズハイブリッド車は、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、バッテリ５とモータジェネレータ１，４との間で電力変換を行うインバータ装置６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、インバータ装置６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の電力を用いてインバータ装置６を介して駆動制御される。走行用モータジェネレータ４の回生時の電力は、やはりインバータ装置６を介してバッテリ５に蓄えられる。なお、インバータ装置６は、発電用モータジェネレータ１用のインバータと走行用モータジェネレータ４用のインバータとを含んで構成されている。

インバータ装置６は、車両の走行制御を司る車両側コントローラ７によって制御される。つまり、車両側コントローラ７によるインバータ装置６の制御を介してモータジェネレータ１，４の動作が制御される。車両側コントローラ７には、車両のアクセルペダル開度や車速、ブレーキ操作量等の信号が入力され、かつバッテリ５の充電状態（いわゆるＳＯＣ）を示す信号が入力されている。なお、充電状態（ＳＯＣ）は、バッテリ５の端子電圧等に基づいて検出される。

また、内燃機関２は、エンジンコントローラ８によって制御される。このエンジンコントローラ８と車両側コントローラ７とは車両内ネットワーク９を介して接続されており、互いに信号の授受を行っている。発電用モータジェネレータ１を駆動する内燃機関２は、このエンジンコントローラ８を介して、バッテリ５の充電状態（ＳＯＣ）等を含む車両側からの電力要求に応じて運転される。つまり、車両のアクセルペダル開度や車速等に応じて車両側コントローラ７からエンジンコントローラ８が電力要求を受けると、その電力要求に応じて内燃機関２が制御される。なお、車両側コントローラ７とエンジンコントローラ８とが一つのコントローラとして統合された構成であってもよい。

図２は、内燃機関２のシステム構成を示した構成説明図である。この内燃機関２は、複リンク式ピストンクランク機構を利用した可変圧縮比機構１２を備えた４ストロークサイクルの火花点火内燃機関である。燃焼室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。

上記吸気弁１４によって開閉される吸気ポート１７の下方には、燃焼室１３内に燃料を直接に噴射する燃料噴射弁１８が配置されている。燃料噴射弁１８は、駆動パルス信号が印加されることによって開弁する電磁式ないし圧電式の噴射弁であって、駆動パルス信号のパルス幅に実質的に比例した量の燃料を噴射する。なお、このような筒内直接噴射式の構成に代えて吸気ポート１７内で燃料噴射を行うポート噴射式の構成であってもよい。

上記吸気ポート１７に接続された吸気通路１９のコレクタ部１９ａ上流側には、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２１が介装されており、さらに、その上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ２２が配設されている。

また、排気ポート２３に接続された排気通路２４には、三元触媒からなる触媒装置２５が介装されており、その上流側に、空燃比を検出する空燃比センサ２６が配置されている。

一方、上記可変圧縮比機構１２は、公知の複リンク式ピストンクランク機構を利用したものであって、シリンダ３０内を動くピストン３１にピストンピン３２を介して一端が連結されたアッパリンク３３（第１リンク）と、このアッパリンク３３の他端にアッパピン３４（第１連結ピン）を介して一端が連結されるとともに、クランクシャフト３５のクランクピン３６に中間部が連結されたロアリンク３７（第２リンク）と、このロアリンク３７の自由度を規制するコントロールリンク３８（第３リンク）と、を備えている。上記コントロールリンク３８は、先端がロアリンク３７の他端にコントロールピン３９（第２連結ピン）を介して連結されているとともに、基端がコントロールシャフト４０の偏心軸部４１に揺動可能に支持されている。上記クランクシャフト３５および上記コントロールシャフト４０は、シリンダブロック２７下部のクランクケース内で図示せぬ軸受構造を介して回転自在に支持されている。

このように構成された複リンク式ピストンクランク機構においては、コントロールシャフト４０の回転位置に応じて偏心軸部４１の位置（つまりコントロールリンク３８の揺動支点位置）が上下に変化するためシリンダ３０内でのピストン３１の上死点位置が変化し、ひいては機関の機械的圧縮比が変化する。換言すれば、コントロールシャフト４０の回転位置に対して機械的圧縮比が一義的に定まる。つまり、本実施例においては、上記コントロールシャフト４０が圧縮比制御部材に相当し、この圧縮比制御部材であるコントロールシャフト４０の回転位置に応じて機械的圧縮比が一義的に定まる。

また、上記可変圧縮比機構１２の圧縮比を可変制御する駆動機構として、クランクシャフト３５と平行な出力軸４６ａを有する電動アクチュエータ４６がシリンダブロック２７下部に配置されている。電動アクチュエータ４６は、アクチュエータ本体となる電動モータ４７と、この電動モータ４７の出力回転を減速して出力軸４６ａから出力する減速機４８と、が直列に結合されて配置された構成となっている。上記出力軸４６ａと上記コントロールシャフト４０とは互いに平行に位置しており、両者が連動して回動するように、出力軸４６ａに固定された第１アーム４９とコントロールシャフト４０に固定された第２アーム５０とが中間リンク５１によって互いに連結されている。

即ち、電動アクチュエータ４６の出力軸４６ａが回転すると、この回転が第１アーム４９から中間リンク５１を介して第２アーム５０へ伝達され、コントロールシャフト４０が回動する。これにより、上述したように、内燃機関２の機械的圧縮比が変化する。なお、上記減速機４８としては、比較的小型の電動モータ４７でもって大きな駆動トルクを得るために、十分に大きな減速比、例えば１：１００あるいは１：２００といった減速比のものが用いられている。なお、図示例では、出力軸４６ａの回転方向に対してコントロールシャフト４０が逆方向に回転するが、同方向に回転するように第１，第２アーム４９，５０および中間リンク５１をレイアウトしてもよい。

上記可変圧縮比機構１２の目標圧縮比は、エンジンコントローラ８において、要求電力から定まる機関運転条件（負荷および機関回転速度）に対して最良燃費となるように設定される。そして、この目標圧縮比を実現するように電動アクチュエータ４６つまり電動モータ４７が駆動制御される。実際の機械的圧縮比に相当するコントロールシャフト４０の回転位置は、実圧縮比センサ５２によって検出され、目標圧縮比に沿うように電動モータ４７のフィードバック制御がなされる。基本的な圧縮比制御の傾向としては、要求電力が少なく内燃機関２が比較的に低速低負荷側で運転されるときには熱効率向上のために高い目標圧縮比が与えられ、要求電力が大で内燃機関２が比較的に高速高負荷側で運転されるときにはノッキングの制約から低い目標圧縮比が与えられる。

上記エンジンコントローラ８には、上記エアフロメータ２２、空燃比センサ２６、実圧縮比センサ５２のほか、内燃機関２の回転速度を検出するクランク角センサ５３、内燃機関２の冷却水温を検出する水温センサ５４、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ５５、車速を検出する車速センサ５６、等のセンサ類の信号が直接にあるいは車両側コントローラ７から車両内ネットワーク９を介して入力されている。上記エンジンコントローラ８は、これらの検出信号に基づき、可変圧縮比機構１２による機械的圧縮比、燃料噴射弁１８による燃料噴射量および噴射時期、点火プラグ１６による点火時期、スロットルバルブ２１の開度、等を最適に制御している。またエンジンコントローラ８は、発電の要否に応じて車両側コントローラ７から内燃機関２の始動指令および停止指令を受け、これに従って内燃機関２の始動および停止が行われる。なお、発電用モータジェネレータ１を利用して始動時のクランキングを行うことが可能である。

次に、図３は、車両の減速時例えば走行中にアクセルペダル開度が０となったときやブレーキペダルが踏み込まれたときに車両側コントローラ７において実行される回生制御のフローチャートを示している。この回生制御においては、ステップ１において、回生制動として目標制動力を発生するように走行用モータジェネレータ４を回生動作させる。次にステップ２において、現時点でのバッテリ５の充電状態（ＳＯＣ）が満充電状態に近い所定レベル（ＳＯＣ１）未満であるかどうかを判別する。

ステップ２においてバッテリ５の充電状態（ＳＯＣ）が所定レベル（ＳＯＣ１）未満であれば、ステップ３へ進み、回生動作に伴って生じる回生電力を通常通りにバッテリ５に充電する。そして、ステップ３からステップ４へ進み、回生制動の終了（つまり回生制動を終了すべき条件が成立したかどうか）を判断する。回生制動の終了でなければ、ステップ１へ戻って、走行用モータジェネレータ４の回生動作を継続する。例えば、アクセルペダルの踏込、車両の停止、回生制動から液圧制動への移行、などによって回生制動が終了する。

一方、ステップ２においてバッテリ５の充電状態（ＳＯＣ）が所定レベル（ＳＯＣ１）以上であれば、ステップ２からステップ５へ進み、可変圧縮比機構１２の電動アクチュエータ４６による電力消費を行う。つまり、バッテリ５への充電は行わずに、電動アクチュエータ４６を動作させて余剰の回生電力を消費する。なお、このステップ２からステップ５へ進む条件下では、走行用モータジェネレータ４による電力要求はなくしかもＳＯＣが高いレベルであることから、基本的に、内燃機関２は停止している。従って、内燃機関２が停止状態にある中で、電動アクチュエータ４６が駆動され、可変圧縮比機構１２を構成している複リンク式ピストンクランク機構のリンクジオメトリが変化することとなる。

ステップ５における電動アクチュエータ４６の実際の駆動制御は、エンジンコントローラ８が車両側コントローラ７の指令を受けて実行する。具体的には、ステップ５の処理が継続している間、電動アクチュエータ４６を適当な動作速度でもって往復回転動作させ、機械的圧縮比を高低変化させる。つまり、一時的に基本の目標圧縮比から離れて、強制的に周期的な圧縮比変化を生じさせる。可変圧縮比機構１２の電動アクチュエータ４６は、内燃機関２の補機として比較的消費電力が大きいので、回生制動を行っている間電動アクチュエータ４６を継続的に動作させることで、余剰電力が効果的に消費される。

例えば、車両が長い下り坂を回生制動を伴って走行しているようなときに、途中でバッテリ５のＳＯＣがＳＯＣ１以上となると、それまで停止していた電動アクチュエータ４６が作動し始めることとなるが、停止状態にある内燃機関２の機械的圧縮比が変化しても運転者や乗客が体感するような変化は全く生じない。電動アクチュエータ４６の動作音が僅かに生じるとしても、この電動アクチュエータ４６の動作音は、内燃機関２のモータリングに伴う機械音に比較して遙かに小さく、走行中のロードノイズ等にマスキングされ得るので、運転者や乗客に違和感を与えることはない。

ここで、回生時の電力消費のために電動アクチュエータ４６を動作させる際には、まず最初に、その時点の機械的圧縮比から高圧縮比側へ変化する方向に電動アクチュエータ４６を動作させることが望ましい。燃焼が生じていない状態でも、一般に、高圧縮比側へ駆動するときの消費電力の方が低圧縮比側へ駆動するときの消費電力よりも大きい。従って、最初に高圧縮比側へ変化させることで、より効果的に余剰電力が消費される。

また、回生時の電力消費のための電動アクチュエータ４６の強制的な動作の際には、通常の運転中の圧縮比制御範囲よりも高圧縮比側まで機械的圧縮比を変化させるように設定することが好ましい。つまり、内燃機関２の運転中の基本の目標圧縮比が、下限圧縮比と第１の上限圧縮比との間で変化するものとすると、上記の電力消費のための機械的圧縮比の高低変化の際は、上記第１の上限圧縮比よりも高圧縮比である第２の上限圧縮比まで上限圧縮比を拡大することが好ましい。一例を挙げると、下限圧縮比が「８」、第１の上限圧縮比が「１４」、第２の上限圧縮比が「１５」、であるとすると、通常の運転中は「８〜１４」の範囲で機械的圧縮比が可変制御されるのに対し、電力消費のための強制的な圧縮比変更時には「１５」までの圧縮比変化が許容される。第２の上限圧縮比は、ノッキングの制約を受けないので、吸気弁１４や排気弁１５との干渉などが生じない範囲でより高圧縮比側に設定が可能である。

このように通常の運転中の圧縮比制御範囲よりも高圧縮比側まで機械的圧縮比を変化させることで、仮にある気筒が上死点位置付近にあるとすれば、シリンダ３０内でのピストン３１の位置が通常運転中の最も高い位置よりもさらに上方まで移動する。そのため、ピストン３１のピストンリングによって掻き上げられるオイルがシリンダ３０のより上方位置へ供給されることとなり、通常運転中は潤滑されない領域の潤滑が図れる。

ここで、回生時の電力消費のための圧縮比変化範囲としては、例えば、次の２つの態様が可能である。第１は、上記の第１の上限圧縮比と第２の上限圧縮比との間で機械的圧縮比を高低変化させる態様である。例えば、第１の上限圧縮比「１４」と第２の上限圧縮比「１５」との間で機械的圧縮比が繰り返し変化することとなる。第２は、上記の下限圧縮比と第２の上限圧縮比との間で機械的圧縮比を高低変化させる態様である。例えば、下限圧縮比「８」と第２の上限圧縮比「１５」との間で機械的圧縮比が繰り返し変化することとなる。

第１の態様によれば、シリンダ３０内壁面の中で通常は潤滑されない領域をピストンリングが往復動作することになり、この領域を積極的に潤滑できる。第２の態様によれば、ピストンリングがより下方から上方へ移動する形となるので、下方領域にあるオイルを掻き上げて潤滑することができる。なお、電力消費の上では、高圧縮比側で変化する第１の態様の方が有利である。

このように上記実施例ではバッテリ５のＳＯＣがＳＯＣ１以上であるときに電動アクチュエータ４６の動作により余剰電力を消費することで、回生制動力を確保しつつバッテリ５の過充電を回避することができる。同時に、余剰電力を利用して可変圧縮比機構１２を動かすことにより可変圧縮比機構１２各部の油温上昇ひいてはフリクションの低減が図れる。すなわち、ハイブリッド車両にあっては、内燃機関２の運転が停止している期間があることから、一般に潤滑油温が低くなる傾向となり、フリクションが増加しやすい。これに対し、上記実施例では、内燃機関２が停止している間に、余剰電力を利用して電動アクチュエータ４６が動作し、かつ複リンク式ピストンクランク機構を構成する各リンクが運動する。そのため、電動アクチュエータ４６における電動モータ４７の発熱が生じ、この熱が各部に伝達されると同時に、各リンクの運動に伴って各摺動部に存在するオイルが温められる。従って、次に内燃機関２が運転を開始したときのフリクションが低減し、燃費の点で有利となる。

以上、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、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を例に説明したが、パラレルハイブリッド車あるいはシリーズ・パラレルハイブリッド車などの他の形式のハイブリッド車両にも本発明の適用が可能である。また、本発明の可変圧縮比機構の電動アクチュエータを用いた余剰電力の消費を、他の余剰電力の吸収手段と組み合わせて適用してもよい。

Claims (8)

1. 内燃機関とモータジェネレータとを備え、上記内燃機関は、電動アクチュエータの作動により動く圧縮比制御部材の位置に応じて機械的圧縮比が変化する可変圧縮比機構を有するハイブリッド車両の制御方法であって、
   上記モータジェネレータに接続されるバッテリの充電状態を検出し、
   上記バッテリが所定レベル以上の充電状態にある状態で上記モータジェネレータが回生動作したときに、発生した電力を上記可変圧縮比機構の電動アクチュエータを動作させて消費する、ハイブリッド車両の制御方法。
2. 基本の目標圧縮比に追従せずに、上記の電力消費のために、上記電動アクチュエータにより圧縮比を高低変化させる、
   請求項１に記載のハイブリッド車両の制御方法。
3. 上記可変圧縮比機構は、上記圧縮比制御部材の位置に応じてシリンダ内でのピストン上死点位置が上下に変位する構成であり、
   上記内燃機関の運転中の基本の目標圧縮比を、下限圧縮比と第１の上限圧縮比との間で設定し、
   上記の電力消費のための圧縮比の高低変化の際は、上記第１の上限圧縮比よりも高圧縮比である第２の上限圧縮比まで上限圧縮比を拡大する、
   請求項２に記載のハイブリッド車両の制御方法。
4. 上記第１の上限圧縮比と上記第２の上限圧縮比との間で圧縮比を高低変化させる、請求項３に記載のハイブリッド車両の制御方法。
5. 上記下限圧縮比と上記第２の上限圧縮比との間で圧縮比を高低変化させる、請求項３に記載のハイブリッド車両の制御方法。
6. 上記の電力消費のための電動アクチュエータの動作開始時には、最初に高圧縮比側へ向けて電動アクチュエータを動作させる、
   請求項１〜５のいずれかに記載のハイブリッド車両の制御方法。
7. 上記可変圧縮比機構は、
   ピストンにピストンピンを介して一端が連結された第１リンクと、
   この第１リンクの他端に第１連結ピンを介して連結され、かつクランクシャフトのクランクピンに連結された第２リンクと、
   一端が上記第２リンクに第２連結ピンを介して連結された第３リンクと、
   上記第３リンクの他端を揺動可能に支持する偏心軸部を有し、かつ上記電動アクチュエータにより回転方向に駆動されることで上記偏心軸部の位置が変化するシャフト状の上記圧縮比制御部材と、
   を含んで構成されている請求項１〜６のいずれかに記載のハイブリッド車両の制御方法。
8. 内燃機関と、モータジェネレータと、バッテリと、を備え、上記内燃機関が、電動アクチュエータの作動により動く圧縮比制御部材の位置に応じて機械的圧縮比が変化する可変圧縮比機構を有するハイブリッド車両の制御装置であって、
   上記バッテリが所定レベル以上の充電状態にあるかどうかを判別し、
   上記バッテリが所定レベル以上の充電状態にある状態で上記モータジェネレータが回生動作したときに、発生した電力の消費のために上記可変圧縮比機構の電動アクチュエータを動作させる、ハイブリッド車両の制御装置。

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