図1は、本発明の実施例としてのハイブリッド自動車20の構成の概略を示す構成図であり、図2は、エンジン22の構成の概略を示す構成図である。実施例のハイブリッド自動車20は、図示するように、エンジン22と、プラネタリギヤ30と、モータMG1,MG2と、インバータ41,42と、バッテリ50と、ハイブリッド用電子制御ユニット(以下、「HVECU」という)70と、を備える。
エンジン22は、ガソリンや軽油などを燃料として吸気,圧縮,爆発(燃焼),排気の4行程により動力を出力する4気筒の内燃機関として構成されている。このエンジン22は、図2に示すように、エアクリーナ122によって清浄された空気をスロットルバルブ124を介して吸気管125に吸入すると共に燃料噴射弁126から吸気管125に燃料を噴射して空気と燃料とを混合し、この混合気を吸気バルブ128aを介して燃焼室129に吸入する。そして、吸入した混合気を点火プラグ130による電気火花によって爆発燃焼させて、そのエネルギによって押し下げられるピストン132の往復運動をクランクシャフト26の回転運動に変換する。燃焼室129から排気バルブ128bを介して排気管133に排出される排気は、一酸化炭素(CO),炭化水素(HC),窒素酸化物(NOx)の有害成分を浄化する浄化触媒(三元触媒)を有する浄化装置134を介して外気に排出される。
吸気バルブ128aおよび排気バルブ128bは、動弁機構137によって開閉駆動される。動弁機構137は、吸気カム138aと、排気カム138bと、吸気側可変バルブタイミング機構139aと、排気側可変バルブタイミング機構139bと、を備える。
吸気カム138aは、吸気カムシャフトに取り付けられ、吸気カムシャフトの回転によって回転して吸気バルブ128a(吸気ポート)を開閉する。排気カム138bは、排気カムシャフトに取り付けられ、排気カムシャフトの回転により回転して排気バルブ128b(排気ポート)を開閉する。吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトは、クランクシャフト26の回転が図示しないタイミングチェーンまたはタイミングベルトを介して伝達され、クランクシャフト26が2回転する間に1回転する。
吸気側可変バルブタイミング機構139aは、吸気カム138aの吸気カムシャフトに対する位相を変更したり、位相が異なる2種類のカムを切り替えたりすることにより、吸気バルブ128aの開閉タイミングを変更する。また、排気側可変バルブタイミング機構139bは、同様に、排気カム138bの排気カムシャフトに対する位相を変更したり、位相が異なる2種類のカムを切り替えたりすることにより、排気バルブ128bの開閉タイミングを変更する。なお、吸気側可変バルブタイミング機構139aおよび排気側可変バルブタイミング機構139bは、例えば、特開2005−2812号公報に記載された構成を採用することができる。
このエンジン22は、吸気カム138aおよび排気カム138bの位相と点火プラグ130の点火時期とを変更することにより、正回転駆動および逆回転駆動を行なうことができるようになっている。図3および図4は、エンジン22を正回転駆動する場合および逆回転駆動する場合のエンジン22の動作の様子の一例を示す説明図である。図4中、「♯1」〜「♯4」は気筒番号を示す。エンジン22は4サイクルエンジンであり、図3に示すように、エンジン22を正回転駆動する場合、ピストン132は、吸気行程において下降し、圧縮行程において上昇し、爆発行程において下降し、排気行程において上昇する。そして、吸気バルブ128aが吸気行程において開弁し、爆発行程の直前に点火プラグ130により点火が行なわれ、排気バルブ128bが排気行程において開弁する。一方、エンジン22を逆回転駆動する場合、ピストン132は、エンジン22を正回転駆動する場合とは逆に上下動する。このため、エンジン22を逆回転駆動する場合には、エンジン22を正回転駆動する場合の吸気,圧縮,爆発,排気の各行程がそれぞれ排気,爆発,圧縮,吸気の各行程となる。したがって、図4に示すように、エンジン22を正回転駆動する場合に各行程が気筒♯1,♯3,♯4,♯2の順に行なわれる場合、エンジン22を逆回転駆動する場合には各行程が気筒♯2,♯4,♯3,♯1の順に行なわれる。
エンジン22は、エンジン用電子制御ユニット(以下、「エンジンECU」という)24によって運転制御されている。エンジンECU24は、図示しないが、CPUを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPUの他に、処理プログラムを記憶するROM,データを一時的に記憶するRAM,入出力ポート,通信ポートを備える。エンジンECU24には、エンジン22を運転制御するのに必要な各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。エンジンECU24に入力される信号としては、例えば、クランクシャフト26の回転位置を検出するクランクポジションセンサ140からのクランクポジションθcrや、エンジン22の冷却水の温度を検出する水温センサ142からの冷却水温Twを挙げることができる。また、吸気カム138a(吸気カムシャフト)および排気カム138b(排気カムシャフト)の回転位置をそれぞれ検出するカムポジションセンサ144a,144bからのカムポジションθca,θcbも挙げることができる。さらに、スロットルバルブ124のポジションを検出するスロットルバルブポジションセンサ146からのスロットル開度THや、吸気管125に取り付けられたエアフローメータ148からの吸入空気量Qa,吸気管125に取り付けられた温度センサ149からの吸気温Taも挙げることができる。加えて、排気管133に取り付けられた空燃比センサ135aからの空燃比AFや、排気管133に取り付けられた酸素センサ135bからの酸素信号O2も挙げることができる。エンジンECU24からは、エンジン22を運転制御するための各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。エンジンECU24から出力される信号としては、例えば、スロットルバルブ124のポジションを調節するスロットルモータ136への駆動制御信号や、燃料噴射弁126への駆動信号,点火プラグ130(イグニッションコイル)への駆動制御信号を挙げることができる。また、吸気側可変バルブタイミング機構139aおよび排気側可変バルブタイミング機構139bへの駆動制御信号も挙げることができる。エンジンECU24は、HVECU70と通信ポートを介して接続されている。エンジンECU24は、クランクポジションセンサ23からのクランク角θcrに基づいてエンジン22の回転数Neを演算している。
プラネタリギヤ30は、シングルピニオン式の遊星歯車機構として構成されている。プラネタリギヤ30のサンギヤには、モータMG1の回転子が接続されている。プラネタリギヤ30のリングギヤには、駆動輪39a,39bにデファレンシャルギヤ38を介して連結された駆動軸36が接続されている。プラネタリギヤ30のキャリヤには、ダンパ28を介してエンジン22のクランクシャフト26が接続されている。
モータMG1は、例えば同期発電電動機として構成されており、上述したように、回転子がプラネタリギヤ30のサンギヤに接続されている。モータMG2は、例えば同期発電電動機として構成されており、回転子が駆動軸36に接続されている。インバータ41,42は、モータMG1,MG2と接続されると共に電力ライン54を介してバッテリ50と接続されている。モータMG1,MG2は、モータ用電子制御ユニット(以下、「モータECU」という)40によって、インバータ41,42の図示しない複数のスイッチング素子がスイッチング制御されることにより、回転駆動される。
モータECU40は、図示しないが、CPUを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPUの他に、処理プログラムを記憶するROM,データを一時的に記憶するRAM,入出力ポート,通信ポートを備える。モータECU40には、モータMG1,MG2を駆動制御するのに必要な各種センサからの信号、例えば、モータMG1,MG2の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ43,44からの回転位置θm1,θm2などが入力ポートを介して入力されている。モータECU40からは、インバータ41,42の図示しない複数のスイッチング素子へのスイッチング制御信号などが出力ポートを介して出力されている。モータECU40は、HVECU70と通信ポートを介して接続されている。モータECU40は、回転位置検出センサ43,44からのモータMG1,MG2の回転子の回転位置θm1,θm2に基づいてモータMG1,MG2の回転数Nm1,Nm2を演算している。
バッテリ50は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池として構成されており、電力ライン54を介してインバータ41,42と接続されている。このバッテリ50は、バッテリ用電子制御ユニット(以下、「バッテリECU」という)52によって管理されている。
バッテリECU52は、図示しないが、CPUを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPUの他に、処理プログラムを記憶するROM,データを一時的に記憶するRAM,入出力ポート,通信ポートを備える。バッテリECU52には、バッテリ50を管理するのに必要な各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。バッテリECU52に入力される信号としては、例えば、バッテリ50の端子間に設置された電圧センサ51aからの電池電圧Vbやバッテリ50の出力端子に取り付けられた電流センサ51bからの電池電流Ib,バッテリ50に取り付けられた温度センサ51cからの電池温度Tbを挙げることができる。バッテリECU52は、HVECU70と通信ポートを介して接続されている。バッテリECU52は、電流センサ51bからの電池電流Ibの積算値に基づいて蓄電割合SOCを演算している。蓄電割合SOCは、バッテリ50の全容量に対するバッテリ50から放電可能な電力の容量の割合である。
HVECU70は、図示しないが、CPUを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPUの他に、処理プログラムを記憶するROM,データを一時的に記憶するRAM,入出力ポート,通信ポートを備える。HVECU70には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。HVECU70に入力される信号としては、例えば、イグニッションスイッチ80からのイグニッション信号や、シフトレバー81の操作位置を検出するシフトポジションセンサ82からのシフトポジションSPを挙げることができる。また、アクセルペダル83の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ84からのアクセル開度Accや、ブレーキペダル85の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ86からのブレーキペダルポジションBP,車速センサ88からの車速Vも挙げることができる。HVECU70は、上述したように、エンジンECU24,モータECU40,バッテリECU52と通信ポートを介して接続されている。
こうして構成された実施例のハイブリッド自動車20では、ハイブリッド走行(HV走行)モードや電動走行(EV走行)モードで走行する。ここで、HV走行モードは、エンジン22の運転を伴って走行するモードであり、EV走行モードは、エンジン22の運転を伴わずに走行するモードである。
HV走行モードでは、HVECU70は、まず、シフトポジションSPとアクセル開度AccとブレーキペダルポジションBPと車速Vとに基づいて駆動軸36に要求される要求トルクTd*を設定し、設定した要求トルクTd*に駆動軸36の回転数Nd(モータMG2の回転数Nm2)を乗じて駆動軸36に要求される要求パワーPd*を計算し、要求パワーPd*からバッテリ50の蓄電割合SOCに基づく充放電要求パワーPb*(バッテリ50から放電するときが正の値)を減じて車両に要求される要求パワーPe*を計算する。そして、エンジン22から要求パワーPe*が出力されると共に要求トルクTd*が駆動軸36に出力されるようにエンジン22の目標回転数Ne*および目標トルクTe*,モータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*を設定する。そして、エンジン22の目標回転数Ne*および目標トルクTe*をエンジンECU24に送信すると共に、モータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*をモータECU40に送信する。エンジンECU24は、エンジン22の目標回転数Ne*および目標トルクTe*を受信すると、この目標回転数Ne*および目標トルクTe*に基づいてエンジン22が運転されるようにエンジン22の吸入空気量制御,燃料噴射制御,点火制御などを行なう。なお、前進走行時には、基本的に、エンジン22を正回転駆動する。モータECU40は、モータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*を受信すると、モータMG1,MG2がトルク指令Tm1*,Tm2*で駆動されるようにインバータ41,42の複数のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。
図5は、エンジン22を正回転駆動しながら走行する際のプラネタリギヤ30の共線図の一例を示す説明図である。図中、左のS軸はモータMG1の回転数Nm1であるサンギヤの回転数を示し、C軸はエンジン22の回転数Neであるキャリヤの回転数を示し、R軸はモータMG2の回転数Nm2であるリングギヤ(駆動軸36)の回転数Ndを示す。また、図中、R軸における2つの太線矢印は、モータMG1から出力されてプラネタリギヤ30を介して駆動軸36に作用するトルク(エンジン22からプラネタリギヤ30を介して駆動軸36に作用するトルク)と、モータMG2から出力されて駆動軸36に作用するトルクと、を示す。さらに、図中、「ρ」はプラネタリギヤ30のギヤ比(サンギヤの歯数/リングギヤの歯数)を示す。
EV走行モードでは、HVECU70は、アクセル開度Accと車速Vとに基づいて駆動軸36の要求トルクTd*を設定し、モータMG1のトルク指令Tm1*に値0を設定すると共に要求トルクTd*をモータMG2のトルク指令Tm2*に設定し、モータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*をモータECU40に送信する。モータECU40は、モータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*を受信すると、モータMG1,MG2がトルク指令Tm1*,Tm2*で駆動されるようにインバータ41,42の複数のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。
次に、こうして構成された実施例のハイブリッド自動車20の動作、特に、エンジン22を正回転駆動から逆回転駆動に切り替える際の動作について説明する。図6は、エンジン22を正回転駆動から逆回転駆動に切り替える際に実施例のHVECU70により実行される処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。なお、前進走行を行なっているときには、図6の処理ルーチンを実行している間も、HVECU70とモータECU40との協調制御により、要求トルクTd*が駆動軸36に出力されるようにモータMG2が駆動制御される。
処理ルーチンが実行されると、HVECU70は、まず、エンジン22の正側運転停止指令をエンジンECU24に送信することにより、エンジンECU24に、燃料噴射制御および点火制御を停止させ(ステップS100)、その後に、正側モータリング指令をモータECU40に送信することにより、モータECU40に、モータMG1からエンジン22を正回転で回転させるためのトルクが出力されるようにインバータ41を制御させる(ステップS110)。図7は、モータMG1によりエンジン22を正回転でモータリングする際のプラネタリギヤ30の共線図の一例を示す説明図である。実施例では、このモータMG1によるエンジン22の正回転でのモータリングを、エンジン22が2回転や3回転,4回転など回転する間に亘って行なうものとした。
続いて、回転停止用モータリング指令をモータECU40に送信することにより、モータECU40に、モータMG1からエンジン22を回転停止させるためのトルクが出力されるようにインバータ41を制御させる(ステップS120)。そして、エンジン22が回転停止する(エンジン22の回転数Neが値0に至る)と、正逆切替指令をエンジンECU24に送信することにより、エンジンECU24に、吸気バルブ128aおよび排気バルブ128bの開閉タイミングがエンジン22の正回転用のタイミングから逆回転用のタイミングに切り替わるように吸気側可変バルブタイミング機構139aおよび排気側可変バルブタイミング機構139bを制御させる(ステップS130)。図8は、吸気バルブ128aおよび排気バルブ128bの開閉タイミングを切り替える際のプラネタリギヤ30の共線図の一例を示す説明図である。
次に、逆側クランキング指令をモータECU40に送信することにより、モータECU40に、モータMG1からエンジン22を逆回転側にクランキングするためのトルクが出力されるようにインバータ41を制御させる(ステップS140)。そして、エンジン22の回転数Neが逆回転側の始動用回転数Nstに至ると、逆側運転開始指令をエンジンECU24に送信することにより、エンジンECU24に、エンジン22の燃料噴射制御および点火制御を開始させて(ステップS150)、本ルーチンを終了する。こうしてエンジン22の逆回転駆動が開始される。図9は、エンジン22を逆回転駆動しながら走行する際のプラネタリギヤ30の共線図の一例を示す説明図である。
エンジン22を正回転駆動から逆回転駆動に切り替える際において、正回転のエンジン22の燃料噴射および点火を停止したときには、圧縮行程の気筒内に未燃焼ガスが残ると共に爆発行程の気筒内に排ガスが残る。このため、その状態でエンジン22の逆回転駆動を開始する(逆回転での燃料噴射および点火を開始する)と、未燃焼ガスや排ガスによって気筒内の空燃比が可燃空燃比になりにくく、燃焼が正常に開始されない場合が生じる。実施例では、エンジン22の燃料噴射および点火を停止した後に、モータMG1によってエンジン22を正回転側でモータリングすることにより、エンジン22の気筒内のガス(未燃焼ガスや排ガス)を排気管133に排出させることができるから、その後にエンジンの逆回転駆動を開始するときの爆発燃焼の開始をより良好なものとすることができる。
図10は、エンジン22を正回転駆動から逆回転駆動に切り替える際の様子を模式的に示す説明図である。図10では、簡単のために、モータMG1によってエンジン22を回転停止させる処理やエンジン22を負回転側にクランキングする処理(上述のステップS120,S140の処理)に相当する部分については省略した。図示するように、エンジン22を正回転駆動している最中の時刻t1に逆回転駆動に切り替えるように指示されると、エンジン22の燃料噴射および点火を停止することによりエンジン22のトルクTeが負の値(フリクショントルク)となるから、モータMG1から正のトルクを出力してエンジン22を正回転でモータリングする(図7参照)。このとき、モータMG1からプラネタリギヤ30を介して駆動軸36に出力されるトルクは負の値(制動トルク)となるから、モータMG2のトルクTm2を増加させることにより、駆動軸36に出力されるトルクが落ち込むのを抑制することができる。そして、時刻t2に、モータMG1によるエンジン22の正回転でのモータリングを終了し、エンジン22が回転停止すると、エンジン22の吸気バルブ128aおよび排気バルブ128bの開閉タイミングを正回転用のタイミングから逆回転用のタイミングに切り替え(図8参照)、その後の時刻t3からエンジン22の逆回転駆動を開始する(図9参照)。
以上説明した実施例のハイブリッド自動車20では、エンジン22を正回転駆動から逆回転駆動に切り替える際には、エンジン22の燃料噴射および点火を停止した後に、モータMG1によってエンジン22を正回転でモータリングし、その後に、エンジン22の逆回転駆動を行なう。これにより、エンジン22を正回転駆動を終了したときの気筒内のガス(未燃焼ガスや排ガス)を排気管133に排出させてからエンジン22の逆回転駆動を開始することができるから、エンジン22の逆回転駆動の開始(爆発燃焼の開始)をより良好なものとすることができる。しかも、実施例のハイブリッド自動車20では、前進走行中にエンジン22を正回転駆動から逆回転駆動に切り替える際でも、要求トルクTd*が駆動軸36に出力されるようにモータMG2を制御する。モータMG1によってエンジン22を正回転でモータリングするときには、モータMG1からプラネタリギヤ30を介して駆動軸36に制動トルクが作用するが、モータMG2の上述の制御により、前進走行を行なう(継続する)ことができる。
実施例のハイブリッド自動車20では、4気筒のエンジン22を用いるものとしたが、3気筒や6気筒,8気筒などのエンジンを用いるものとしてもよい。
実施例のハイブリッド自動車20では、エンジンECU24とモータECU40とHVECU70とを備えるものとしたが、これらを単一の電子制御ユニットとして構成するものとしてもよい。
実施例のハイブリッド自動車20では、エンジン22とプラネタリギヤ30とモータMG1,MG2とを備えるハイブリッド自動車20の構成としたが、エンジンと、エンジンの出力軸に接続されたスタータジェネレータと、エンジンの出力軸にクラッチを介して接続されると共に駆動輪に連結された駆動軸に変速機を介して接続されたモータと、を備える構成としてもよい。この構成で、前進走行中にエンジンを正回転駆動から逆回転駆動に切り替える際に、エンジンの燃料噴射および点火を停止してスタータジェネレータによってエンジンを正回転でモータリングした後にエンジンの逆回転駆動を行なうと共に、走行用の要求トルクが駆動軸に出力されるようにモータを制御することにより、実施例と同様の効果を奏することができる。なお、エンジンと、エンジンの出力軸に動力を出力可能なモータと、を備える構成であれば、これらの構成に限定されるものではない。
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、エンジン22が「エンジン」に相当し、モータMG1が「モータ」に相当し、HVECU70とエンジンECU24とモータECU40とが「制御装置」に相当する。
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。