WO2012053068A1 - 車両、パワートレーンの制御方法およびパワートレーンの制御装置 - Google Patents
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Abstract
パワートレーンは、触媒が取り付けられたエンジン(100)と、エンジン(100)の出力軸に連結されたモータジェネレータ(110)とを備える。ECU170は、エンジン(100)の冷却水の温度が第1しきい値より低い場合は、エンジン(100)の冷却水の温度が第1しきい値以上である場合に比べて大きい負荷をモータジェネレータ(10)によってエンジン(100)に与えながらエンジン(100)を駆動する。
Description
車両、パワートレーンの制御方法およびパワートレーンの制御装置に関し、特に、触媒が取り付けられた内燃機関を駆動する技術に関する。
アイドリングストップ機能を備えた車両が知られている。アイドリングストップ機能により、アイドリング状態になるとエンジンが停止される。エンジンが停止している間、非必要な燃料の消費が低減される。その結果、燃料の消費量が低減される。
アイドリングストップは、いくつかの条件が満たされると実行される。条件の一つは、触媒の暖機が完了しているという条件、すなわち、触媒の温度がしきい値以上であるという条件である。触媒の温度がしきい値より低いと、アイドリングストップが実行されない。よって、触媒の暖機を早期に完了することが望まれる。触媒の暖機を促進する方法の一つとして、成層燃焼が有効であることが知られている。
特開2003-83128号公報(特許文献1)は、始動のために均質燃焼を行なった後、所定条件が成立した(ピストン冠面温度が所定温度以上となった)ことをもって成層燃焼に切り換えることを開示する。
特開2003-83128号公報に記載の技術においては、暖機を促進すべく、均質燃焼から成層燃焼に切り換えることを開示するものの、切り換える時期が遅くなれば、触媒の暖機の完了が遅れ得る。したがって、触媒の暖機を促進する点において、さらなる改良の余地があった。
本発明の上述の課題を鑑みて考案されたものである。本発明の目的は、触媒を速やかに暖機することである。
車両は、触媒が取り付けられた内燃機関と、内燃機関の出力軸に連結された電動機と、内燃機関の冷却水の温度が第1の温度より低い場合は、内燃機関の冷却水の温度が第1の温度以上である場合に比べて大きい負荷を電動機によって内燃機関に与えながら均質燃焼するように内燃機関を駆動する制御ユニットとを備える。
触媒が取り付けられた内燃機関と、内燃機関の出力軸に連結された電動機とが設けられたパワートレーンの制御方法は、内燃機関の冷却水の温度を検出するステップと、内燃機関の冷却水の温度が予め定められた温度より低い場合は、内燃機関の冷却水の温度が予め定められた温度以上である場合に比べて大きい負荷を電動機によって内燃機関に与えながら均質燃焼するように内燃機関を駆動するステップとを備える。
触媒が取り付けられた内燃機関と、内燃機関の出力軸に連結された電動機とが設けられたパワートレーンの制御装置は、内燃機関の冷却水の温度を検出するための手段と、内燃機関の冷却水の温度が予め定められた温度より低い場合は、内燃機関の冷却水の温度が予め定められた温度以上である場合に比べて大きい負荷を電動機によって内燃機関に与えながら均質燃焼するように内燃機関を駆動するための手段とを備える。
内燃機関の冷却水の温度が第1の温度より低い場合、すなわち触媒の暖機が完了する前は、内燃機関の負荷が大きくされる。そのため、内燃機関から排出される排気ガスの量が増大する。よって、触媒に与えられる熱量が増大する。その結果、触媒が速やかに暖機される。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図1を参照して、ハイブリッド車には、エンジン100と、第1モータジェネレータ110と、第2モータジェネレータ120と、動力分割機構130と、減速機140と、バッテリ150とが搭載される。なお、以下の説明においては一例として外部の電源からの充電機能を有さないハイブリッド車について説明するが、外部の電源からの充電機能を有するプラグインハイブリッド車を用いてもよい。
エンジン100、第1モータジェネレータ110、第2モータジェネレータ120、バッテリ150は、ECU(Electronic Control Unit)170により制御される。ECU170は複数のECUに分割するようにしてもよい。
この車両は、エンジン100および第2モータジェネレータ120のうちの少なくともいずれか一方からの駆動力により走行する。すなわち、エンジン100および第2モータジェネレータ120のうちのいずれか一方もしくは両方が、運転状態に応じて駆動源として自動的に選択される。
たとえば、運転者がアクセルペダル172を操作した結果に応じて、エンジン100および第2モータジェネレータ120が制御される。アクセルペダル172の操作量(アクセル開度)は、アクセル開度センサ(図示せず)により検出される。
アクセル開度が小さい場合および車速が低い場合などには、第2モータジェネレータ120のみを駆動源としてハイブリッド車が走行する。この場合、エンジン100が停止される。ただし、発電などのためにエンジン100が駆動する場合がある。
また、アクセル開度が大きい場合、車速が高い場合、バッテリ150の残存容量(SOC:State Of Charge)が小さい場合などには、エンジン100が駆動される。この場合、エンジン100のみ、もしくはエンジン100および第2モータジェネレータ120の両方を駆動源としてハイブリッド車が走行する。
エンジン100は、内燃機関である。燃料と空気の混合気が燃焼室内で燃焼することよって、出力軸であるクランクシャフトが回転する。エンジン100には、触媒102が取り付けられる。触媒102は、排気管内に設けられる。エンジン100から排出される排気ガスは、触媒102によって浄化された後、車外に排出される。触媒102は、特定の温度まで暖機されることによって浄化作用を発揮する。触媒102の暖機は、排気ガスの熱を利用して行なわれる。触媒102は、たとえば三元触媒である。
エンジン100は、冷却水を用いて冷却される。冷却水の温度は、温度センサ174により検出され、検出結果を表す信号がECU170に送信される。
本実施の形態において、エンジン100は、筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタを備えた内燃機関である。エンジン100のピストンの冠面には、成層燃焼を可能にするためのキャビティが設けられる。なお、エンジン100の形式はこれに限らない。
エンジン100、第1モータジェネレータ110および第2モータジェネレータ120は、動力分割機構130を介して接続されている。言い換えると、エンジン100の出力軸には、動力分割機構130を介して第1モータジェネレータ110および第2モータジェネレータ120が連結される。エンジン100が発生する動力は、動力分割機構130により、2経路に分割される。一方は減速機140を介して前輪160を駆動する経路である。もう一方は、第1モータジェネレータ110を駆動させて発電する経路である。
第1モータジェネレータ110は、U相コイル、V相コイルおよびW相コイルを備える、三相交流回転電機である。第1モータジェネレータ110は、動力分割機構130により分割されたエンジン100の動力により発電する。第1モータジェネレータ110により発電された電力は、車両の走行状態や、バッテリ150の残存容量の状態に応じて使い分けられる。たとえば、通常走行時では、第1モータジェネレータ110により発電された電力はそのまま第2モータジェネレータ120を駆動させる電力となる。一方、バッテリ150のSOCが予め定められた値よりも低い場合、第1モータジェネレータ110により発電された電力は、後述するインバータにより交流から直流に変換される。その後、後述するコンバータにより電圧が調整されてバッテリ150に蓄えられる。
第1モータジェネレータ110が発電機として作用している場合、第1モータジェネレータ110は負のトルクを発生している。ここで、負のトルクとは、エンジン100の負荷となるようなトルクをいう。第1モータジェネレータ110が電力の供給を受けてモータとして作用している場合、第1モータジェネレータ110は正のトルクを発生する。ここで、正のトルクとは、エンジン100の負荷とならないようなトルク、すなわち、エンジン100の回転をアシストするようなトルクをいう。なお、第2モータジェネレータ120についても同様である。
第2モータジェネレータ120は、U相コイル、V相コイルおよびW相コイルを備える、三相交流回転電機である。第2モータジェネレータ120は、バッテリ150に蓄えられた電力および第1モータジェネレータ110により発電された電力のうちの少なくともいずれかの電力により駆動する。
第2モータジェネレータ120の駆動力は、減速機140を介して前輪160に伝えられる。これにより、第2モータジェネレータ120はエンジン100をアシストしたり、第2モータジェネレータ120からの駆動力により車両を走行させたりする。なお、前輪160の代わりにもしくは加えて後輪を駆動するようにしてもよい。
ハイブリッド車の回生制動時には、減速機140を介して前輪160により第2モータジェネレータ120が駆動され、第2モータジェネレータ120が発電機として作動する。これにより第2モータジェネレータ120は、制動エネルギを電力に変換する回生ブレーキとして作動する。第2モータジェネレータ120により発電された電力は、バッテリ150に蓄えられる。
動力分割機構130は、サンギヤと、ピニオンギヤと、キャリアと、リングギヤとを含む遊星歯車から構成される。ピニオンギヤは、サンギヤおよびリングギヤと係合する。キャリアは、ピニオンギヤが自転可能であるように支持する。サンギヤは第1モータジェネレータ110の回転軸に連結される。キャリアはエンジン100のクランクシャフトに連結される。リングギヤは第2モータジェネレータ120の回転軸および減速機140に連結される。
エンジン100、第1モータジェネレータ110および第2モータジェネレータ120が、遊星歯車からなる動力分割機構130を介して連結されることで、エンジン100、第1モータジェネレータ110および第2モータジェネレータ120の回転数は、図2に示すように共線図において直線で結ばれる関係になる。
図1に戻って、バッテリ150は、複数のバッテリセルを一体化したバッテリモジュールを、さらに複数直列に接続して構成された組電池である。バッテリ150の電圧は、たとえば200V程度である。バッテリ150には、第1モータジェネレータ110および第2モータジェネレータ120の他、車両の外部の電源から供給される電力が充電される。なお、バッテリ150の代わりにもしくは加えてキャパシタを用いるようにしてもよい。
図3を参照して、ハイブリッド車の電気システムについてさらに説明する。ハイブリッド車には、コンバータ200と、第1インバータ210と、第2インバータ220と、システムメインリレー230とが設けられる。
コンバータ200は、リアクトルと、二つのnpn型トランジスタと、二つダイオードとを含む。リアクトルは、各バッテリの正極側に一端が接続され、2つのnpn型トランジスタの接続点に他端が接続される。
2つのnpn型トランジスタは、直列に接続される。npn型トランジスタは、ECU170により制御される。各npn型トランジスタのコレクタ-エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオードがそれぞれ接続される。
なお、npn型トランジスタとして、たとえば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いることができる。npn型トランジスタに代えて、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)等の電力スイッチング素子を用いることができる。
バッテリ150から放電された電力を第1モータジェネレータ110もしくは第2モータジェネレータ120に供給する際、電圧がコンバータ200により昇圧される。逆に、第1モータジェネレータ110もしくは第2モータジェネレータ120により発電された電力をバッテリ150に充電する際、電圧がコンバータ200により降圧される。
コンバータ200と、各インバータとの間のシステム電圧VHは、電圧センサ180により検出される。電圧センサ180の検出結果は、ECU170に送信される。
第1インバータ210は、U相アーム、V相アームおよびW相アームを含む。U相アーム、V相アームおよびW相アームは並列に接続される。U相アーム、V相アームおよびW相アームは、それぞれ、直列に接続された2つのnpn型トランジスタを有する。各npn型トランジスタのコレクタ-エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードがそれぞれ接続される。そして、各アームにおける各npn型トランジスタの接続点は、第1モータジェネレータ110の各コイルの中性点112とは異なる端部にそれぞれ接続される。
第1インバータ210は、バッテリ150から供給される直流電流を交流電流に変換し、第1モータジェネレータ110に供給する。また、第1インバータ210は、第1モータジェネレータ110により発電された交流電流を直流電流に変換する。
第2インバータ220は、U相アーム、V相アームおよびW相アームを含む。U相アーム、V相アームおよびW相アームは並列に接続される。U相アーム、V相アームおよびW相アームは、それぞれ、直列に接続された2つのnpn型トランジスタを有する。各npn型トランジスタのコレクタ-エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードがそれぞれ接続される。そして、各アームにおける各npn型トランジスタの接続点は、第2モータジェネレータ120の各コイルの中性点122とは異なる端部にそれぞれ接続される。
第2インバータ220は、バッテリ150から供給される直流電流を交流電流に変換し、第2モータジェネレータ120に供給する。また、第2インバータ220は、第2モータジェネレータ120により発電された交流電流を直流電流に変換する。
コンバータ200、第1インバータ210および第2インバータ220は、ECU170により制御される。
システムメインリレー230は、バッテリ150とコンバータ200との間に設けられる。システムメインリレー230は、バッテリ150と電気システムとを接続した状態および遮断した状態を切換えるリレーである。システムメインリレー230が開いた状態であると、バッテリ150が電気システムから遮断される。システムメインリレー230が閉じた状態であると、バッテリ150が電気システムに接続される。
システムメインリレー230の状態は、ECU170により制御される。たとえば、ECU170が起動すると、システムメインリレー230が閉じられる。ECU170が停止する際、システムメインリレー230が開かれる。
図4を参照して、エンジン100の制御態様についてさらに説明する。図4に示すように、ハイブリッド車の出力パワーがエンジン始動しきい値より小さいと、エンジン100が一時的に停止され、第2モータジェネレータ120の駆動力のみを用いてハイブリッド車が走行する。
出力パワーは、ハイブリッド車の走行に用いられるパワーとして設定される。出力パワーは、たとえば、アクセル開度および車速などをパラメータに有するマップに従ってECU170により算出される。なお、出力パワーを算出する方法はこれに限らない。なお、出力パワーの代わりに、トルク、加速度、駆動力およびアクセル開度などを用いるようにしてもよい。
ハイブリッド車の出力パワーがエンジン始動しきい値以上になると、エンジン100が駆動される。これにより、第2モータジェネレータ120の駆動力に加えて、もしくは代わりに、エンジン100の駆動力を用いてハイブリッド車が走行する。また、エンジン100の駆動力を用いて第1モータジェネレータ110が発電した電力が第2モータジェネレータ120に直接供給される。
図5に示すように、エンジン100の動作点、すなわちエンジン回転数NEおよび出力トルクTEは、出力パワーと動作線との交点により定まる。
出力パワーは、等パワー線によって示される。動作線は、実験およびシミュレーションの結果に基づいて、開発者により予め定められる。動作線は、燃費が最適(最小)になるようにエンジン100が駆動することができるように設定される。すなわち、動作線に沿ってエンジン100が駆動することにより、最適な燃費が実現される。ただし、予め定められたトルクTE1から予め定められたトルクTE2までの区間において、動作線は、振動および騒音が減少するように設定される。なお、動作線の設定方法はこれらに限らない。
エンジン100の一時的な停止は、少なくとも、触媒102の暖機が完了しているという条件が満たされた場合に許可される。より具体的には、後述するように、エンジン100の冷却水の温度が第2しきい値TW2以上であるという条件が満たされると、エンジン100の一時的な停止が許可される。すなわち、触媒102の暖機が完了しているか否かがエンジン100の冷却水の温度に基づいて判断される。よって、エンジン100の冷却水の温度が第2しきい値TW2以上である状態において、ハイブリッド車の出力パワーがエンジン始動しきい値より小さいと、エンジン100が一時的に停止される。
エンジン100の冷却水の温度が第2しきい値TW2より低いと、エンジン100の一時的な停止が禁止される。この場合、ハイブリッド車の出力パワーがエンジン始動しきい値以上であっても、エンジン100の運転が継続される。
図6を参照して、本実施の形態においてECU170が実行する処理の制御構造について説明する。
ステップ(以下ステップをSと略す)100にて、ECU170は、触媒102の暖機が必要であるか否かを判断する。たとえば、エンジン100の冷却水の温度が予め定められた値より低い場合およびエンジン100が始動してからの経過時間が予め定められた時間より短い場合などに、触媒102の暖機が必要であると判断される。なお、触媒102の暖機が必要であるか否かを判断する方法には周知の一般的な技術を利用すればよいため、ここではその詳細な説明は繰り返さない。
触媒102の暖機が必要であると(S100にてYES)、S102にて、ECU170は、エンジン100の冷却水の温度が第1しきい値TW1より低いか否かを判断する。エンジン100の冷却水の温度が第1しきい値TW1より低いと(S102にてYES)、処理はS104に移される。S104にて、ECU170は、エンジン100の冷却水の温度が第1しきい値TW1以上である場合に比べて大きい負荷を第1モータジェネレータ110によってエンジン100に与えながらエンジンを駆動する。エンジン100は、均質燃焼するように制御される。たとえば、燃料が吸気行程で噴射されることによって、均質燃焼が実現される。
エンジン100の出力パワーは、第1モータジェネレータ110により与えられる負荷に応じて増大される。すなわち、エンジン100に吸入される空気量が増大される。そのため、エンジン100から排出される排気ガスの量が増大する。よって、触媒102に与えられる熱量が増大する。その結果、触媒102の暖機が促進される。
図7において矢印で示すように、第1モータジェネレータ110が負のトルクを発生するように制御することによって、エンジン100に負荷が与えられる。
図6に戻って、エンジン100の冷却水の温度が第1しきい値TW1以上であると(S102にてNO)、処理はS106に移される。S106にて、ECU170は、エンジン100の冷却水の温度が第2しきい値TW2よりも低いか否かが判断される。第2しきい値TW2は、第1しきい値TW1よりも高くなるように定められる。
エンジン100の冷却水の温度が第2しきい値TW2より低いと(S106にてYES)、処理はS108に移される。S108にて、ECU170は、空燃比が理論空燃比になり、かつ成層燃焼するようにエンジン100を制御する。たとえば、燃料が圧縮行程で噴射されることによって、成層燃焼が実現される。第1モータジェネレータ110のトルクは、たとえば零になるように制御される。トルクの絶対値は零に限定されない。エンジン100の冷却水の温度が第1しきい値TW1より低い場合に実現されるトルクの絶対値よりも小さい絶対値のトルクであればいくつであってもよい。
エンジン100の冷却水の温度が第2しきい値TW2以上であると(S106にてNO)、処理はS110に移される。S110にて、ECU170は、エンジン100の一時的な停止を許可する。したがって、上述したように、ハイブリッド車の出力パワーがエンジン始動しきい値より小さいと、エンジン100が一時的に停止される。
以上のように、本実施の形態によれば、エンジン100の冷却水の温度が第1しきい値TW1より低い場合、すなわち触媒102の暖機が完了する前は、エンジン100の負荷が大きくされる。そのため、エンジン100から排出される排気ガスの量が増大する。よって、触媒102に与えられる熱量が増大する。その結果、触媒102が速やかに暖機される。さらに、エンジン100の冷却水の温度上昇も促進される。よって、負荷を増大する場合は、負荷を増大しない場合に比べて成層燃焼により早く移行できる。
なお、第1モータジェネレータ110の代わりに、もしくは加えて、オルタネータを搭載した車両に本発明を適用してもよい。この場合、エンジン100の冷却水の温度が第1しきい値TW1より低い場合は、第1しきい値TW1以上である場合に比べて、オルタネータによる発電量を増大することによって、エンジン100の負荷を大きくしてもよい。
さらに、第1モータジェネレータ110の代わりに、もしくは加えて、第2モータジェネレータ120によってエンジン100に負荷を与えるようにしてもよい。
図8に示すように、エンジン100の出力軸に連結されるモータジェネレータ122が一つだけ搭載されたハイブリッド車に本発明を適用してもよい。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
100 エンジン、102 触媒、104 空調装置、110 第1モータジェネレータ、120 第2モータジェネレータ、122 モータジェネレータ、130 動力分割機構、140 減速機、150 バッテリ、160 前輪、170 ECU、172 アクセルペダル、174 温度センサ、200 コンバータ、210 第1インバータ、220 第2インバータ、230 システムメインリレー。
Claims (5)
- 触媒が取り付けられた内燃機関(100)と、
前記内燃機関(100)の出力軸に連結された電動機(110)と、
前記内燃機関(100)の冷却水の温度が第1の温度より低い場合は、前記内燃機関(100)の冷却水の温度が前記第1の温度以上である場合に比べて大きい負荷を前記電動機(110)によって前記内燃機関(100)に与えながら均質燃焼するように前記内燃機関(100)を駆動する制御ユニット(170)とを備える、車両。 - 前記制御ユニット(170)は、前記内燃機関(100)の冷却水の温度が前記第1の温度以上であり、前記内燃機関(100)の冷却水の温度が、前記第1の温度よりも高い第2の温度よりも低い場合、成層燃焼するように前記内燃機関(100)を駆動する、請求項1に記載の車両。
- 前記制御ユニット(170)は、前記内燃機関(100)の冷却水の温度が前記第2の温度以上である状態において、前記内燃機関(100)を一時的に停止する、請求項2に記載の車両。
- 触媒が取り付けられた内燃機関(100)と、前記内燃機関(100)の出力軸に連結された電動機(110)とが設けられたパワートレーンの制御方法であって、
前記内燃機関(100)の冷却水の温度を検出するステップと、
前記内燃機関(100)の冷却水の温度が予め定められた温度より低い場合は、前記内燃機関(100)の冷却水の温度が前記予め定められた温度以上である場合に比べて大きい負荷を前記電動機(110)によって前記内燃機関(100)に与えながら均質燃焼するように前記内燃機関(100)を駆動するステップとを備える、パワートレーンの制御方法。 - 触媒が取り付けられた内燃機関(100)と、前記内燃機関(100)の出力軸に連結された電動機(110)とが設けられたパワートレーンの制御装置であって、
前記内燃機関(100)の冷却水の温度を検出するための手段と、
前記内燃機関(100)の冷却水の温度が予め定められた温度より低い場合は、前記内燃機関(100)の冷却水の温度が前記予め定められた温度以上である場合に比べて大きい負荷を前記電動機(110)によって前記内燃機関(100)に与えながら均質燃焼するように前記内燃機関(100)を駆動するための手段とを備える、パワートレーンの制御装置。
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WO2012053068A1 true WO2012053068A1 (ja) | 2012-04-26 |
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CN113847157A (zh) * | 2021-10-26 | 2021-12-28 | 浙江吉利控股集团有限公司 | 发动机控制方法、装置、车辆及存储介质 |
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- 2010-10-20 WO PCT/JP2010/068448 patent/WO2012053068A1/ja active Application Filing
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