JP3931465B2 - エンジンの始動制御装置、制御方法およびハイブリッド車両 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンに結合された電動機の動力によって該エンジンを始動する始動制御装置および制御方法に関する。また、エンジンと電動機とを動力源とし、前記エンジン始動制御装置を搭載したハイブリッド車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンと電動機とを動力源として備えるハイブリッド車両が提案されている。ハイブリッド車両には、シリーズハイブリッド車両とパラレルハイブリッド車両とがある。シリーズハイブリッド車両とは、エンジンは発電機と結合されるのみで、駆動軸とは機械的に結合されていないハイブリッド車両をいう。シリーズハイブリッド車両では、エンジンの動力で発電機を駆動して発電することができる。この電力はバッテリの充電に使用される他、駆動軸に結合された駆動用の電動機に供給される。シリーズハイブリッド車両は、この電動機の動力によって走行する。エンジンからの機械的な動力を直接駆動軸に伝達することはできない。
【０００３】
パラレルハイブリッド車両とは、エンジンと駆動軸とが機械的に結合されたハイブリッド車両をいう。エンジンは駆動軸の他、発電機とも結合されている。パラレルハイブリッド車両では、エンジンから出力された動力の少なくとも一部を駆動軸に伝達することができる。また、エンジンに結合された発電機をエンジンの動力で駆動することにより発電することもできる。さらに、駆動軸に結合された電動機を力行して走行することもできる。電動機を力行することで、エンジンから駆動軸に伝達された動力を補って、駆動軸から要求動力を出力して走行することができる。
【０００４】
上述したハイブリッド車両では、車両の走行状態に応じてエンジンの運転が制御される。例えば、シリーズハイブリッド車両では、電動機の力行に十分な電力がバッテリに充電されている場合には、エンジンの運転が停止される。バッテリの電力が消費され、充電が必要になると、エンジンが始動されて充電が開始される。パラレルハイブリッド車両では、発進時にはエンジンを停止し、電動機の動力を利用して走行する。車両が所定の車速に達すると、エンジンを始動し、エンジンの動力を利用して走行する。バッテリの充電状態に応じてエンジンの始動・停止が制御される点は、シリーズハイブリッド車両と同様である。
【０００５】
エンジンのみを動力源とする車両では、車両の走行中にはエンジンが常に運転状態にあるのが通常である。通常の車両では、車両の運転を開始する際に運転者がイグニッションスイッチを操作してエンジンを始動する。運転者がイグニッションスイッチをオンにすると、いわゆるセルモータの動力によってエンジンがクランキングされる。エンジンの回転数が、数百ｒｐｍ程度に達すると、燃料の噴射および点火が行われてエンジンの運転が開始される。運転が始まると、エンジンの回転数は約１０００ｒｐｍ程度まで急激に増大する。この回転数の変動から、運転者はエンジンの自立始動が開始されたことを認知し、エンジン始動のための操作を完了する。
【０００６】
一方、ハイブリッド車両では、運転者の操作に関わらず、走行中にエンジンの始動・停止が行われる。ハイブリッド車両では、始動制御装置が、エンジンの始動要求に応じてエンジンの始動を実行する。始動制御装置は、エンジンの始動要求を受け取ると、エンジンに結合された電動機を力行して、クランキングを実行する。エンジンが所定の回転数に達すると、燃料の噴射および点火を行ってエンジンの運転を開始する。エンジンが自立運転を開始したと判定されると（以下、完爆判定という）、始動制御装置は、エンジンを始動するための処理を終了する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ハイブリッド車両では、走行中にエンジンの始動・停止が繰り返し実行される。従って、十分快適な乗り心地を確保するため、エンジンを滑らかに始動することが好ましい。かかる始動を実現するため、ハイブリッド車両では、クランキングにより自立運転時の回転数に付近まで回転数を上昇させた後、燃料の噴射および点火を行う。このため、自立運転開始前後での回転数の変動は比較的小さく、エンジンの回転数からはエンジンが自立運転を開始したか否かを判定することが困難である。従来のハイブリッド車両では、エンジンの完爆判定は、エンジンの回転数および点火後の経過時間に基づいてなされていた。
【０００８】
しかし、かかる方法では、適切な完爆判定が実行できない場合があった。例えば、点火後の経過時間を短く設定した場合には、エンジンが十分に自立運転を開始していないにも関わらず電動機の運転を停止する可能性がある。この結果、エンジンは動力系統の摩擦の負荷により自立運転を開始できずに停止する可能性があった。逆に経過時間を長く設定した場合には、エンジンが既に自立運転を開始しているにも関わらず電動機が運転され、電力の消費量が増大していた。
【０００９】
また、パラレルハイブリッド車両の場合、上述の経過時間を長く設定した場合には、走行中の車両の応答性を損ねることになる。走行中においては、速やかにエンジンの始動の制御を終了し、エンジンの動力を利用した走行に移行することが望まれるからである。さらに、エンジンが自立運転を開始するまでの時間は、エンジン水温など種々の運転状態に応じて変化する。従来の始動制御装置は、これらの事情の全てに適合した適切な完爆判定を行うことができなかった。
【００１０】
上述の課題は、ハイブリッド車両に限定された課題ではない。エンジンの自立運転を判断する必要が生じる全ての始動制御装置に共通の課題であった。本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、エンジンの完爆判定を適切に行うことができる始動制御装置および制御方法を提供することを目的とする。また、かかる始動制御装置を適用したハイブリッド車両を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明では以下の構成を採った。
本発明の始動制御装置は、
エンジンに結合された電動機の動力によって該エンジンを回転させるとともに、燃料の供給および点火を行って該エンジンを自立運転させる始動制御装置であって、
該エンジンの自立運転時の要求動力を設定する動力設定手段と、
前記要求動力に応じた運転状態で前記エンジンの運転を制御するエンジン制御手段と、
前記エンジンの運転を阻害しない範囲で、前記エンジン制御手段によって実現されるエンジン回転数よりも有意に低い電動機目標回転数で前記電動機を回転させる電動機制御手段と、
該電動機のトルクに基づいて前記エンジンが自立運転を開始したか否かを判定する自立運転判定手段とを備えることを要旨とする。
【００１２】
かかる始動制御装置によれば、エンジン制御手段と電動機制御手段との相互作用の結果、電動機のトルクに現れる変動によってエンジンの完爆判定を適切に行うことができる。即ち、上記始動装置によればエンジンの自立運転が開始された後は、エンジン制御手段が要求動力に応じた運転状態でそのエンジンの運転を行う。エンジン制御手段による制御は、種々の態様が考えられ、例えば、回転数とトルクの積、即ち出力される動力が要求動力に相当するように制御することができる。また、要求動力に応じて定まる所定の回転数でエンジンを運転するように制御するものとしてもよい。エンジンに燃料の供給および点火が行われたにも関わらず、自立運転を開始していない状態では、当然、エンジン制御手段は有効に機能し得ず、エンジンは要求動力に応じた運転状態とはならない。
【００１３】
一方、本発明の始動制御装置では、電動機制御手段が電動機の回転を制御する。この電動機はエンジンに結合されているから、間接的にエンジンの回転数を制御することになる。つまり、電動機制御手段はエンジン制御手段により実現される回転数よりも有意に低い回転数でエンジンを回転させるように電動機を制御する。エンジンが自立運転を開始し、エンジン制御手段が有効に機能し始めた後は、その回転数を電動機目標回転数に低減させるべく、電動機からは負のトルクが出力される。エンジンが自立運転を開始する以前、即ちエンジン制御手段が有効に機能していない状態ではエンジンの回転数が電動機目標回転数よりも低いため、エンジンの回転数を上昇させるべく、電動機からは正のトルクが出力される。
【００１４】
このように本発明の始動制御装置によれば、エンジンの運転状態をエンジン制御手段と電動機制御手段の２つの手段により制御する。この結果、エンジン制御手段が有効に機能するか否か、即ちエンジンが自立運転を開始したか否かに応じて、電動機の出力トルクが変動する。本発明の始動制御装置では、こうして生じる電動機のトルクの変動に基づいてエンジンが自立運転を開始したか否かを判定する。電動機のトルクの変動は、電動機制御手段によるトルク指令値に基づき容易かつ精度よく検出することができる。従って、本発明の始動制御装置によれば、完爆判定を適切に行うことができる。
【００１５】
ここで、本明細書における用語の定義をする。本明細書において、「始動」とはエンジンが停止状態から自立運転を開始するまでの状態をいうものとする。自立運転とは電動機からのトルクなしでエンジンが回転を継続できる運転状態にあることをいう。エンジンに燃料の噴射および点火が開始された当初では、まだ自立運転を行うことができない場合がある。本明細書ではかかる状態に対しては単に「運転開始」という用語を用いるものとする。
【００１６】
先に説明した通り、電動機目標回転数は、電動機のトルクの設定に用いられるエンジンの目標回転数である。従って、電動機目標回転数がエンジン目標回転数よりも有意に低いか否かは、電動機から出力された動力がエンジンに伝達される直前の状態で判定するものとする。例えば、電動機が変速機を介してエンジンに結合されている場合には、変速機を経てエンジンに伝達される直前の回転数を電動機目標回転数とする。本発明は、このように変速機を介して電動機がエンジンに結合されている場合など、電動機自体の回転数はエンジン回転数より有意に低くはなっていない場合も含んでいる。
【００１７】
なお、有意に低い回転数の範囲は、上述の制御に基づき電動機のトルクの変動を検出可能な程度の範囲である。電動機目標回転数をエンジン回転数よりも極端に低くすれば、エンジンが自立運転を開始した後に電動機によりかけられる負荷が大きくなる。この負荷によってエンジンの回転が阻害され、運転が停止する可能性もある。また、電動機目標回転数がエンジンの点火を行う回転数よりも低い場合には、エンジンの回転数を十分に上昇させることができず、運転を開始することができない。本発明における「エンジンの運転を阻害しない範囲」とは、このようにエンジンの運転開始および継続の障害とならない範囲を意味する。
【００１８】
一方、電動機目標回転数をエンジン回転数とほぼ同等の値にした場合には、エンジンから出力される動力、および電動機のトルクの変動が生じない可能性がある。回転数の変動に基づいてエンジンの運転を制御する際には、エンジンの運転状態が頻繁に変動することを回避するため、所定の不感帯を設けるのが通常である。電動機目標回転数は少なくともこの不感帯を外れる範囲で設定することが望ましい。
【００１９】
なお、本発明において電動機目標回転数を設定する基準となるエンジン回転数はエンジン制御手段によるエンジンの制御態様に応じて異なる。例えば、エンジンが所定の回転数で回転するように制御されている場合には、その回転数をエンジン回転数とすればよい。
【００２０】
一方、回転数およびトルクを所定の値に制御するのではなく、要求された動力をエンジンから出力するようにエンジンの制御が行われる場合を考える。かかる場合には、エンジン制御手段によって実現される回転数はエンジンにかけられる負荷に応じて変動する。電動機によって負荷をかけることによってエンジンを所望の回転数で回転させるように制御するのが通常である。従って、エンジン制御手段により実現されるエンジン回転数としては、電動機による負荷がない場合に実現される回転数をいうものとする。エンジン制御手段により実現される回転数が、エンジンに負荷をかける電動機以外の要素によって変動し得る場合には、かかる変動の範囲も考慮して電動機目標回転数を設定することが望ましい。
【００２１】
上述の通り、本発明において、自立運転時の要求動力は種々の値に設定可能である。また、エンジンの制御も種々の方法が適用可能である。このように本発明は種々の態様で構成可能であるが、
特に、前記動力設定手段は、前記要求動力を値０に設定する手段であり、
前記エンジン制御手段は、所定のエンジン回転数で前記エンジンを回転させる手段であるものとすることが好ましい。
【００２２】
一般に自立運転時の要求動力が高い程、エンジン回転数は高く、出力トルクも大きくなる。エンジンには複数の燃焼部が設けられていることが通常であり、始動時には運転の開始にバラツキが生じることが多い。つまり、一部の燃焼部では自立運転開始可能な状態に至った後でも他の燃焼部は自立運転に至っていない場合もある。かかるバラツキは始動時における振動の原因となる。自立運転時の要求動力が小さければ、それぞれの燃焼部で出力される動力が小さくなるから、上記バラツキによる影響も小さくなる。従って、上述の通り、要求動力を値０とすれば、始動時の振動を十分低減することができる。
【００２３】
また、要求動力に応じて、始動時の燃料消費量も変動する。始動時には自立運転開始後に対して有害ガス、いわゆるエミッションが多いのが通常である。エミッションの量は要求動力に応じて変動する。従って、上述の通り、要求動力を値０とすれば、始動時の燃料消費量およびエミッションを抑制することができる。
【００２４】
一方、値０の要求動力に応じた運転状態には、エンジンの停止と、いわゆるアイドル状態での運転が含まれる。エンジンの始動を適切に実行するためには、エンジン制御手段がアイドル状態での回転数でエンジンを運転する制御を実行することが望ましいことは説明するまでもない。
【００２５】
上述の態様で本発明を構成した場合の作用について詳述する。エンジンの運転が開始された後、エンジン制御手段はアイドル回転数に相当する回転数でエンジンを運転する。一方、電動機制御手段はエンジンの回転数が電動機目標回転数まで低下するようにエンジンに負荷をかける。エンジン制御手段はこの負荷に抵抗してアイドル回転数を維持するように燃料噴射量等を増大する。この結果、電動機は負のトルクを出力し続け、エンジンから出力される動力は増大する。目標回転数を異にする２つの制御手段によりエンジン回転数を制御するため、エンジンが自立運転を開始した後は、両者の相互作用によって電動機のトルクが負になるのである。従って、上記態様で始動制御装置を構成すれば、エンジンの完爆を適切に判定することができる。
【００２６】
要求動力を値０とする場合においては、
前記エンジンの温度を検出する温度検出手段を備え、
前記動力設定手段は、該温度が前記エンジンの点火の容易性に応じて定まる所定値以下の場合には、前記要求動力を正の所定値とする手段であるものとすることが好ましい。
【００２７】
一般にエンジンは気化した燃料に点火して動力を得るものである。エンジンの温度が非常に低い場合には、燃料が気化しにくく点火しにくいのが通常である。上記始動制御装置によれば、エンジンの温度が所定値以下の場合には、要求動力を正の値とする。要求動力が大きくなれば、燃料の噴射量が増大するため、燃焼が促進され始動しやすくなる。従って、上記始動制御装置によれば、低温下にある場合にエンジンを適切に始動することができる。なお、かかる場合の要求動力は予め定めた一定の値としてもよいし、エンジンの温度に応じた値としてもよい。
【００２８】
本発明の始動制御装置は、エンジンの始動を実行する必要がある種々の装置に適用可能である。もちろん、エンジンのみを動力源とする種々の動力出力装置に適用することも可能である。かかる場合には、動力出力装置の運転中にエンジンの始動・停止が繰り返し実行されるか否かに関わらず、エンジンの始動を適切に行うことができる利点がある。また、始動時における燃料消費量およびエミッションの低減という利点もある。
【００２９】
このように本発明は、エンジンのみを動力源とする動力出力装置に適用可能なものであるが、特にエンジンと電動機とを動力源とするハイブリッド式の動力出力装置に適用することが好ましい。ハイブリッド式の動力出力装置は、運転中にエンジンの始動・停止が繰り返し実行されるからである。中でも、次に示す通り、本発明の始動制御装置を適用し、ハイブリッド車両として発明を構成することが好ましい。
【００３０】
本発明のハイブリッド車両は、
エンジンと第１の電動機とを動力の供給源として搭載し、該エンジンに結合された第２の電動機によって該エンジンの始動および停止を制御しながら走行するハイブリッド車両であって、
該エンジンの始動要求に応じて、前記第２の電動機を制御して該エンジンを回転させるとともに、前記エンジンへの燃料の供給および点火を行うエンジン点火制御手段と、
該エンジンの自立運転時の要求動力を設定する動力設定手段と、
前記要求動力に応じた運転状態で前記エンジンを運転するエンジン制御手段と、
前記エンジンの運転を阻害しない範囲で、前記エンジン制御手段によって実現されるエンジン回転数よりも有意に低い電動機目標回転数で前記第２の電動機を回転させる電動機制御手段と、
該第２の電動機のトルクに基づいて前記エンジンが自立運転を開始したか否かを判定する自立運転判定手段とを備えることを要旨とする。
【００３１】
かかるハイブリッド車両によれば、先に始動制御装置で説明したのと同様の作用により、エンジンを適切に始動することができる。ハイブリッド車両は、電動機の動力源のみによって走行することが可能であるため、走行中にエンジンの始動および停止が繰り返し実行される。本発明のハイブリッド車両によれば、このように繰り返し実行されるエンジンの始動を適切に行うことができるため、安定した運転を実現することができるとともに、燃費の向上、エミッションの低減を図ることができる。
【００３２】
なお、本発明のハイブリッド車両は、シリーズハイブリッド車両およびパラレルハイブリッド車両のいずれの構成でもよい。上述の第１の電動機と第２の電動機とを異なる電動機とし、エンジンと駆動軸とは結合されていない構成を適用すれば、シリーズハイブリッド車両となる。また、第１の電動機と第２の電動機とを異なる電動機とし、エンジンと駆動軸とを結合すれば、電動機を２つ備えたパラレルハイブリッド車両となる。さらに、第１の電動機と第２の電動機とを共通の電動機とすれば、電動機を１つ備えたパラレルハイブリッド車両となる。本発明はいずれの構成を採用するものとしても構わない。
【００３３】
本発明のハイブリッド車両においては、先に説明した始動制御装置と同様、
前記動力設定手段は、前記要求動力を値０に設定する手段であり、
前記エンジン制御手段は、所定のエンジン回転数で前記エンジンを回転させる手段であるものとすることが望ましい。
このように要求動力を設定すれば、先に始動制御装置で説明した通り、エンジン始動時の振動、燃料消費量、エミッションを抑制することができる。特に振動の抑制は、ハイブリッド車両の乗り心地を大きく向上する点で好ましい。
【００３４】
また、要求動力を値０とする場合には、
前記エンジンの温度を検出する温度検出手段を備え、
前記動力設定手段は、該温度が前記エンジンの点火の容易性に応じて定まる所定値以下の場合には、前記要求動力を正の所定値とする手段であるものとすることも好ましい。
こうすれば、低温下でエンジンの始動を適切に行うことが可能となる。
【００３５】
要求動力を値０とする場合には、加えて、
前記車両が停車中であるか否かを判定する停車判定手段を備え、
前記動力設定手段は、前記車両が停車中でない場合には、前記要求動力を正の所定値とする手段であるものとすることも好ましい。
【００３６】
かかるハイブリッド車両によれば、停車中には要求動力を値０とし、走行中には正の所定値とする。走行中にエンジンを始動する場合は、エンジンの動力を利用して走行することが要求されているのが通常である。かかる状況下での走行を続ければバッテリの電力が消費される。従って、走行中にエンジンの始動が要求された場合には、エンジンから速やかに動力を出力することが望ましい。上記ハイブリッド車両によれば、エンジンの要求動力を正の所定値として始動するため、速やかに動力を出力することができる。従って、バッテリの電力消費を抑制することができるとともに、車両の応答性を向上することができる。
【００３７】
なお、走行中に始動する際の要求動力は、予め設定した一定値としてもよいし、車両の走行状態、例えば車速やアクセルの踏み込み量などに応じて定まる値としてもよい。後者の場合には、要求動力を連続的に変化させるものとしてもよいし、段階的に変化させるものとしてもよい。
【００３８】
また、低温時において要求動力を正の所定値にするものとを種々の態様で組み合わせて適用してもよい。例えば、エンジンが所定以上の温度であり、停車中の場合にのみ要求動力を値０とし、その他の場合には正の所定値としてもよい。また、停車中またはエンジンが所定以上の温度のいずれか一方の条件を満足するときに要求動力を値０とし、その他の場合には正の所定値としてもよい。その他種々の態様で組み合わせて適用することが可能である。
【００３９】
本発明は、以下に示すエンジンの制御方法として構成することもできる。
即ち、本発明の制御方法は、
エンジンに結合された電動機の動力によって該エンジンを回転させるとともに、燃料の供給および点火を行って該エンジンを自立運転させる制御方法であって、
（ａ） 該エンジンの自立運転時の要求動力を設定する工程と、
（ｂ） 前記要求動力に応じた運転状態で前記エンジンを運転する工程と、
（ｃ） 前記エンジンの運転を阻害しない範囲で、前記エンジン制御手段によって実現されるエンジン回転数よりも有意に低い電動機目標回転数で前記電動機を回転させる工程と、
（ｄ） 該電動機のトルクに基づいて前記エンジンが自立運転を開始したか否かを判定する工程とを備える制御方法である。
【００４０】
かかる制御方法によれば、先に始動制御装置として説明したのと同様の作用により、エンジンを安定して適切に始動することができる。なお、先に始動制御装置において説明した種々の付加的な要素を上記制御方法に適用することが可能であることはいうまでもない。また、エンジンの制御方法としての発明を、ハイブリッド車両の制御方法の発明として構成することも可能である。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
（１）実施例の構成：
はじめに、本発明の実施例としてのハイブリッド車両の構成を説明する。図１はこのハイブリッド車両の動力を出力する動力系統の構成を示す説明図である。動力系統に備えられたエンジン１５０は通常のガソリンエンジンであり、クランクシャフト１５６を回転させる。本実施例のエンジン１５０は吸気弁および排気弁の開閉タイミングを調整することができる機構（以下、ＶＶＴ機構と呼ぶ）を備えている。ＶＶＴ機構の構成については、周知であるため詳細な説明を省略する。
【００４２】
エンジン１５０の運転およびＶＶＴ機構はＥＦＩＥＣＵ１７０により制御されている。ＥＦＩＥＣＵ１７０は内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するワンチップ・マイクロコンピュータであり、ＣＰＵがＲＯＭに記録されたプログラムに従い、エンジン１５０の燃料噴射量その他の制御を実行する。
【００４３】
動力系統には、他にモータＭＧ１，ＭＧ２が備えられている。モータＭＧ１，ＭＧ２は、同期電動機であり、外周面に複数個の永久磁石を有するロータ１３２，１４２と、回転磁界を形成する三相コイル１３１，１４１が巻回されたステータ１３３，１４３とを備える。ステータ１３３，１４３はケース１１９に固定されている。モータＭＧ１，ＭＧ２のステータ１３３，１４３に巻回された三相コイル１３１，１４１は、それぞれ駆動回路１９１，１９２を介してバッテリ１９４に接続されている。駆動回路１９１，１９２は、各相ごとにスイッチング素子としてのトランジスタを２つ１組で備えたトランジスタインバータである。駆動回路１９１，１９２は制御ユニット１９０に接続されている。制御ユニット１９０からの制御信号によって駆動回路１９１，１９２のトランジスタがスイッチングされるとバッテリ１９４とモータＭＧ１，ＭＧ２との間に電流が流れる。モータＭＧ１，ＭＧ２はバッテリ１９４からの電力の供給を受けて回転駆動する電動機として動作することもできるし（以下、この走行状態を力行と呼ぶ）、ロータ１３２，１４２が外力により回転している場合には三相コイル１３１，１４１の両端に起電力を生じさせる発電機として機能してバッテリ１９４を充電することもできる（以下、この走行状態を回生と呼ぶ）。
【００４４】
エンジン１５０とモータＭＧ１，ＭＧ２はそれぞれプラネタリギヤ１２０を介して機械的に結合されている。プラネタリギヤ１２０は、サンギヤ１２１，リングギヤ１２２，プラネタリピニオンギヤ１２３を有するプラネタリキャリア１２４から構成されている。サンギヤ１２１は中央で回転する。プラネタリピニオンギヤ１２３はサンギヤ１２１の周囲を自転しながら公転する。リングギヤ１２２はプラネタリピニオンギヤ１２３の周囲で回転する。エンジン１５０のクランクシャフト１５６はダンパ１３０を介してプラネタリキャリア軸１２７に結合されている。ダンパ１３０はクランクシャフト１５６に生じる捻り振動を吸収するためのものである。モータＭＧ１のロータ１３２は、サンギヤ軸１２５に結合されている。モータＭＧ２のロータ１４２は、リングギヤ軸１２６に結合されている。リングギヤ１２２の回転は、チェーンベルト１２９を介して駆動軸１１２および車輪１１６Ｒ，１１６Ｌに伝達される。
【００４５】
実施例のハイブリッド車両の運転全体は制御ユニット１９０により制御されている。制御ユニット１９０は、ＥＦＩＥＣＵ１７０と同様、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するワンチップ・マイクロコンピュータである。制御ユニット１９０はＥＦＩＥＣＵ１７０と接続されており、両者は種々の情報を通信し合うことが可能である。例えば、ＥＦＩＥＣＵ１７０はエンジン水温を水温センサ１５４により検出している。従って、制御ユニット１９０は通信によりエンジン水温を取得することができる。逆に、制御ユニット１９０は、エンジン１５０の制御に必要となるトルク指令値や回転数の指令値などの情報をＥＦＩＥＣＵ１７０に送信することにより、エンジン１５０の運転を間接的に制御することができる。また、駆動回路１９１，１９２のスイッチングを制御することにより、モータＭＧ１，ＭＧ２の運転を直接制御することができる。
【００４６】
かかる制御を実現するために制御ユニット１９０には、種々のセンサ、例えば、運転者によるアクセルの踏み込み量を検出するためのアクセルペダルポジションセンサ１６５、および駆動軸１１２の回転数を知るための回転数センサ１４４などが設けられている。リングギヤ軸１２６と駆動軸１１２は機械的に結合されているため、本実施例では、駆動軸１１２の回転数を知るための回転数センサ１４４をリングギヤ軸１２６に設け、モータＭＧ２の回転を制御するためのセンサと共通にしている。
【００４７】
（２）基本的動作：
かかるハイブリッド車両の基本的な動作を説明するために、まずプラネタリギヤ１２０の動作について説明する。プラネタリギヤ１２０は、上述した３つの回転軸のうち、２つの回転軸の回転数およびトルク（以下、両者をまとめて回転状態とよぶ）が決定されると残余の回転軸の回転状態が決まるという性質を有している。各回転軸の回転状態の関係を次式（１）に示す。
【００４８】
Ｎｒ＝（１＋ρ）Ｎｃ−ρＮｓ；
Ｎｃ＝（Ｎｒ＋ρＮｓ）／（１＋ρ）；
Ｎｓ＝（Ｎｃ−Ｎｒ）／ρ＋Ｎｃ；
Ｔｓ＝ρ／（１＋ρ）×Ｔｃ；
Ｔｒ＝１／（１＋ρ）×Ｔｃ …（１）
【００４９】
ここで、Ｎｓ，Ｔｓはサンギヤ軸１２５の回転数およびトルク、Ｎｒ，Ｔｒはリングギヤ軸１２６の回転数およびトルク、Ｎｃ，Ｔｃはプラネタリキャリア軸１２７の回転数およびトルクである。また、ρは次式で表される通り、サンギヤ１２１とリングギヤ１２２のギヤ比である。
ρ＝サンギヤ１２１の歯数／リングギヤ１２２の歯数
【００５０】
本実施例のハイブリッド車両は、プラネタリギヤ１２０の作用に基づいて、種々の状態で走行することができる。例えば、ハイブリッド車両が走行を始めた比較的低速な状態では、エンジン１５０を停止したまま、モータＭＧ２を力行することにより駆動軸１１２に動力を伝達して走行する。同様にエンジン１５０をアイドル運転したまま走行することもある。
【００５１】
ハイブリッド車両が所定の速度に達すると、制御ユニット１９０はモータＭＧ１を力行し、そのトルクによってエンジン１５０をクランキングして始動する。このとき、モータＭＧ１の反力トルクがプラネタリギヤ１２０を介してリングギヤ１２２にも出力される。制御ユニット１９０はこの反力トルクを相殺しつつ要求動力を駆動軸１１２から出力するようにモータＭＧ２の運転を制御する。エンジンを始動するための制御については後に詳述する。
【００５２】
エンジン１５０が運転している状態では、その動力を種々の回転数およびトルクの回転状態に変換して駆動軸１１２から出力し、走行する。エンジン１５０を運転してプラネタリキャリア軸１２７を回転させると、上式（１）を満足する条件下で、サンギヤ軸１２５およびリングギヤ軸１２６が回転する。リングギヤ軸１２６の回転による動力はそのまま車輪１１６Ｒ，１１６Ｌに伝達される。サンギヤ軸１２５の回転による動力はモータＭＧ１で電力として回生することができる。一方、モータＭＧ２を力行すれば、リングギヤ軸１２６を介して車輪１１６Ｒ，１１６Ｌに動力を出力することができる。エンジン１５０からリングギヤ軸１２６に伝達されるトルクが不足する場合にはモータＭＧ２を力行することによりトルクをアシストする。モータＭＧ２を力行するための電力にはモータＭＧ１で回生した電力およびバッテリ１４９に蓄えられた電力を用いる。制御ユニット１９０は駆動軸１１２から出力すべき要求動力に応じてモータＭＧ１，ＭＧ２の運転を制御する。
【００５３】
プラネタリギヤ１２０は、リングギヤ１２２が停止した状態で、プラネタリキャリア１２４およびサンギヤ１２１を回転させることが可能である。従って、車両が停止した状態でもエンジン１５０は運転可能である。例えば、バッテリ１９４の残容量が少なくなれば、エンジン１５０を始動し、モータＭＧ１を回生運転することにより、バッテリ１９４を充電する。車両が停止しているときでもモータＭＧ１を力行すれば、そのトルクによってエンジン１５０をクランキングし、始動することができる。このとき、制御ユニット１９０はモータＭＧ２を制御して、モータＭＧ１の反力トルクを相殺する。
【００５４】
（３）始動制御処理：
次に、本実施例における始動制御処理について説明する。始動制御処理とは、エンジン１５０をモータＭＧ１でクランキングすると共に燃料の噴射、点火を行って自立運転を開始するための処理をいう。始動制御処理は、制御ユニット１９０内のＣＰＵ（以下、単にＣＰＵという）により、種々の制御処理と併せて、所定時間毎に繰り返し実行される。始動制御処理は、先に説明した通り、第１にハイブリッド車両の車速およびトルクが、モータＭＧ２のみを動力源とするＥＶ走行からエンジンの動力を利用する通常走行状態に移行する速度に達した場合に実行される。第２にエンジン１５０が停止している場合において、バッテリ１９４の残容量が低下し、充電が必要と判断されたときに実行される。第２の条件による始動は停車中か走行中かに関わらず行われる。
【００５５】
始動制御処理ルーチンが開始されると、ＣＰＵはエンジン１５０のＶＶＴ機構を制御して、まず吸気弁閉じ角を最遅角に設定する（ステップＳ１００）。この設定について説明する。図３は、ＶＶＴ機構による吸気弁および排気弁の開閉タイミングを示す説明図である。エンジン１５０はシリンダ内でピストンが上下運動しており、これに伴って図中の時計回りの方向にエンジン１５０のクランクシャフトが回転する。
【００５６】
吸気弁の開閉タイミングを白抜きの矢印で示し、排気弁の開閉タイミングを塗りつぶしの矢印で図示した。図示する通り、排気弁は、ピストンの下死点よりクランクシャフトがやや手前の回転位置にある時点で開き、上死点をやや越えた時点で閉じる。このタイミングは固定である。一方、吸気弁は、例えばタイミングＡにおいては上死点より手前で開き、下死点をやや越えた時点で閉じる。吸気弁が開いてから上死点をやや越える時点までは、吸気弁と排気弁の双方が開いている。ＶＶＴ機構により開閉タイミングを変更すると、吸気弁の開閉タイミングのみが例えばタイミングＢのごとく変化する。このとき、吸気弁は、タイミングＡよりも遅く、上死点をやや越えた時点で開き、その分下死点を大きく越えた時点で閉じるようになる。吸気弁の開閉タイミングは変更されるものの、開状態となっている期間はタイミングＡとタイミングＢとで同一である。
【００５７】
このように変化する吸気弁の開閉タイミングを図示した通り下死点から吸気弁が閉じるまでの角度、即ち吸気弁閉じ角を用いて表すものとする。吸気弁閉じ角を標準の値よりも大きく調整すると、吸気弁が閉じるのが遅くなる。かかる制御を遅角制御と呼ぶ。遅角制御すると、燃焼室に吸入された混合気を圧縮する行程が短くなるため、エンジン１５０を始動するためのクランキングを行う際の負荷が減る。本実施例では、ステップＳ１００においてこの負荷を減らすため、吸気弁閉じ角を最遅角に制御している。
【００５８】
次に、ＣＰＵはエンジンの運転を制御する（ステップＳ２００）。図４は、エンジン運転制御処理ルーチンのフローチャートである。この処理では、ＣＰＵはエンジン１５０が運転を開始しているか否かを判定する（ステップＳ２０２）。エンジン１５０が運転を開始していない状態、即ち燃料の供給および点火が行われていない状態の場合には、ＣＰＵはエンジン運転制御処理ルーチンを終了する。始動制御処理ルーチン（図２）を最初に実行する際は、エンジンの運転が開始されていないため、ＣＰＵは何ら処理を実行しないことになる。
【００５９】
一方、エンジン１５０が運転を開始している場合、ＣＰＵは車両が停車中であるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。この判定は、回転数センサ１４４の検出信号を利用して求められる車速に基づいて行うことができる。また、いわゆるシフトレバーのポジションが停車時に用いられるＰポジションにあるか否かに基づいて判定することもできる。そして、以下に示す通り、車両の走行状態に応じてエンジン１５０の運転状態を設定し、運転の制御を実行する。
【００６０】
停車中でないと判定された場合には、エンジン１５０の要求動力として走行状態に応じた動力を設定する。このためにＣＰＵはアクセルの踏み込み量および車速を入力する（ステップＳ２１２）。アクセルの踏み込み量は、アクセル開度センサ１６５により検出される。これらの諸量に基づいて車両の走行状態、即ち車速と要求トルクを検出することができる。ＣＰＵは車速および要求トルクの積から、走行に必要な動力を演算し、エンジン１５０の要求動力Ｐｅ＊として設定する（ステップＳ２１４）。
【００６１】
次に、こうして設定された要求動力Ｐｅ＊について徐変処理を行う（ステップＳ２１６）。徐変処理とは、要求動力Ｐｅ＊の変動を抑制する処理である。エンジン１５０の要求動力Ｐｅ＊が急激に変動することにより、車両の運転状態が不安定になる可能性を回避するための処理である。具体的には、従前の要求動力とステップＳ２１４で新たに設定された要求動力のそれぞれに所定の重み係数を乗じて和をとる処理、いわゆるなまし処理を行うことによって要求動力の変動を抑制している。ここでは、従前の要求動力から、なまし処理された結果値への変化率が所定の値以下になるように上限ガードする処理も同時に施している。
【００６２】
本実施例では、こうして設定された要求動力Ｐｅ＊に対して更に上下限ガード処理を施す（ステップＳ２１８）。つまり、「０≦Ｐｅ＊≦Ｐｍａｘ」の範囲に入るように要求動力Ｐｅ＊の値を修正するのである。例えば、要求動力Ｐｅ＊が値０よりも小さい場合には、要求動力Ｐｅ＊に値０が設定される。要求動力Ｐｅ＊が値Ｐｍａｘよりも大きい場合には、要求動力Ｐｅ＊に値Ｐｍａｘが設定される。値Ｐｍａｘは始動時においてエンジン１５０に看過しえない程の振動その他不安定な運転状態を生じない範囲で設定された要求動力の上限値である。
【００６３】
こうしてエンジン１５０の要求動力を設定すると、次にエンジン１５０の目標回転数Ｎｅ＊を動作曲線に基づいて設定する（ステップＳ２２０）。図５は、動作曲線を示す説明図である。図中の曲線Ｂは、エンジン１５０が運転可能な回転数およびトルクの限界値を示している。α１％、α２％等で示される曲線は、それぞれエンジン１５０の運転効率が一定となる等効率線であり、α１％、α２％の順に効率が低くなっていくことを示している。図示する通り、エンジン１５０は比較的限定された運転ポイントで効率が高く、その周囲の運転ポイントでは徐々に効率が低下していく。
【００６４】
Ｃ１、Ｃ２、およびＣ３で示されている曲線は、エンジン１５０から出力される動力が一定の曲線である。Ａ１，Ａ２，Ａ３はそれぞれ曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の動力を出力する際に運転効率が最も高くなる点を示している。なお、Ｃ１〜Ｃ３の曲線は、要求動力に応じて無数に引くことができる曲線であり、それぞれの要求動力に応じて運転効率の高いトルクおよび回転数を選択することができる。こうして選択された効率の高い無数の運転ポイントを描いた曲線が図中の曲線Ａであり、これを動作曲線と呼ぶ。
【００６５】
エンジン運転ポイント設定処理のステップＳ２２０では、動作曲線上から運転効率の良い目標回転数Ｎｅ＊が選択される。なお、図５にはエンジン１５０が運転可能な全領域を示した。図４のエンジン運転ポイント設定処理ルーチンはエンジン１５０始動時の処理であり、要求動力が比較的低い状態で実行される処理である。従って、図５に示した動作曲線上の比較的低回転数、低トルクの部分が使用される。
【００６６】
これと同時にＣＰＵはアイドルフラグをオフにする（ステップＳ２２０）。アイドルフラグとは、エンジン１５０をアイドル運転する制御の実行を指示するためのフラグである。車両が走行中には要求動力Ｐｅ＊を優先してエンジン１５０の運転を制御する。従って、かかる制御の実行を指示するため、アイドルフラグをオフにする。
【００６７】
こうして走行中における運転ポイントが設定されるとＣＰＵはエンジン１５０の運転の制御を実行する（ステップＳ２２２）。エンジン１５０の運転を実際に制御するのはＥＦＩＥＣＵ１７０である。従って、ここではＣＰＵは要求動力Ｐｅ＊をＥＦＩＥＣＵ１７０に出力することにより間接的にエンジン１５０の運転を制御する。ＥＦＩＥＣＵ１７０は要求動力Ｐｅ＊に応じて燃料噴射量やスロットル開度、点火時期、ＶＶＴ機構による吸気弁閉じ角などを制御する。
【００６８】
なお、エンジン１５０の運転の制御のみでは要求動力Ｐｅ＊と回転数Ｎｅ＊の双方を制御することはできない。ＥＦＩＥＣＵ１７０は要求動力Ｐｅ＊が出力されるようにエンジン１５０を制御するのみであり、回転数はエンジン１５０にかけられる負荷に応じて結果的に定まる。走行中にエンジン１５０を始動する場合、走行に必要な動力は既にモータＭＧ２で出力されているから、エンジン１５０にはほとんど走行負荷はかかっていない。従って、ステップＳ２２２の制御のみが実行されれば、エンジン１５０は非常に高い回転数で回転することになる。本実施例では、後述する通り、モータＭＧ１がエンジン１５０に負荷を与えることでステップＳ２２０で設定された目標回転数Ｎｅ＊を実現するのである。
【００６９】
ステップＳ２０２において、停車中であると判定された場合には、ＣＰＵはエンジン１５０をいわゆるアイドル状態で運転するための制御を実行する。ＣＰＵは水温センサ１５４により検出されたエンジン１５０の水温を入力する（ステップＳ２３２）。ＣＰＵはこの水温に基づいてエンジン１５０の要求動力を設定する（ステップＳ２３４）。停車中における要求動力は水温に応じたマップとして予め設定されている。図６は、要求動力Ｐｅ＊を与えるマップを示す説明図である。図示する通り、エンジン水温が所定の温度ｔｍｐ２よりも低い場合には要求動力は所定の正の値ｐｔｍｐに設定される。エンジン水温が温度ｔｍｐ１以上の範囲では要求動力は値０に設定される。温度ｔｍｐ２〜ｔｍｐ１の間では、エンジン水温に応じて要求動力は徐々に変化する。
【００７０】
一般にエンジン水温が低い場合には、燃料が気化しづらくエンジン１５０を始動しにくい。かかる場合に要求動力を正の所定値とすれば、エンジン１５０の吸気量および燃料噴射量が増え、エンジン１５０の始動が容易になる。本実施例ではかかる観点から、エンジン１５０の始動が困難な程に水温が低い場合（図６のｔｍｐ１以下の状態）には、要求動力をｐｔｍｐとしているのである。本実施例では、温度ｔｍｐ１を−１０℃、ｔｅｍｐ２を−２０℃とし、ｐｔｍｐを４ｋｗとしている。これらのパラメータは、搭載するエンジンの種類に応じてそれぞ適切な値を選択すればよい。
【００７１】
次に、ＣＰＵはエンジン１５０の目標回転数Ｎｅ＊を設定する（ステップＳ２３６）。目標回転数Ｎｅ＊は要求動力と同様、エンジン水温のマップとして予め設定されている。図７は目標回転数Ｎｅ＊を与えるマップの例である。図示する通り、エンジン水温が所定の値ｔｍｐ３以下では、目標回転数Ｎｅ＊は値Ｎｔ１に設定される。エンジン水温がｔｍｐ３を超えると、徐々に目標回転数Ｎｅ＊は低減し、温度ｔｍｐ４以上では目標回転数Ｎｅ＊は値Ｎｔ２となる。エンジン水温が比較的低い場合には、エンジン１５０の暖機を促進するためやや高い回転数を目標回転数として設定するのである。本実施例では値Ｎｔ１を１３００ｒｐｍ、値Ｎｔ２を１０００ｒｐｍに設定している。これらの値は搭載するエンジンの種類に応じてそれぞれ適切な値を選択すればよい。
【００７２】
これと同時にＣＰＵはアイドルフラグをオンにする（ステップＳ２３６）。エンジン１５０をアイドル運転する場合には、先にステップＳ２２２で説明した制御とは異なり、ＥＦＩＥＣＵ１７０は目標回転数で回転するようにエンジン１５０の運転を制御する。ＣＰＵはかかる制御の実行を指示するために、アイドルフラグをオンにするのである。
【００７３】
こうして目標回転数が設定されると、ＣＰＵはエンジン１５０を該回転数でアイドル運転する制御を実行する（ステップＳ２３８）。既に説明した通り、ＣＰＵはＥＦＩＥＣＵ１７０に対して必要な情報を送信することにより、間接的にエンジン１５０の運転を制御する。ここでは、アイドルフラグがオンになっているため、ＥＦＩＥＣＵ１７０は、エンジン１５０の回転数に応じて燃料噴射量、スロットル開度、ＶＶＴ機構による吸気弁閉じ角等を制御する。ＣＰＵからは、かかる制御の実行を指示するフラグ、および目標回転数Ｎｅ＊がＥＦＩＥＣＵ１７０に出力される。こうして、それぞれ車両の走行状態に応じてエンジン１５０の運転の制御を実行すると、ＣＰＵはエンジン運転制御処理ルーチンを終了して、始動制御処理ルーチン（図２）に戻る。
【００７４】
始動制御処理ルーチンでは、次にモータＭＧ１の運転の制御を実行する（ステップＳ３００）。図８は、ＭＧ１トルクＴ１の設定処理ルーチンのフローチャートである。この処理が開始されるとＣＰＵはエンジン１５０の回転数が点火を行うか否かの判断基準となる所定の回転数Ｎｅｔａｇ（以下、点火回転数と呼ぶ）よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ３０２）。ＥＦＩＥＣＵ１７０はエンジン１５０の回転数Ｎｅに基づいて点火時期の制御を実行している。従って、エンジン１５０の回転数ＮｅはＥＦＩＥＣＵ１７０との通信で検出することができる。所定の回転数Ｎｅｔａｇはエンジンの種類に応じて点火に適した回転数を設定すればよい。本実施例では、始動に伴う回転数の大きな変動を回避するため、Ｎｅｔａｇの値をアイドル回転数とほぼ同等の値、１０００ｒｐｍに設定している。
【００７５】
回転数ＮｅがＮｅｔａｇ以下の場合にはモータＭＧ１のトルクＴ１を所定の変化率で徐々に増やす制御（以下、ランプ制御と呼ぶ）を実行する。このため、ＣＰＵはモータＭＧ１のトルクＴ１を所定の増分ΔＴだけ増加する（ステップＳ３１０）。併せて、所定の最大値Ｔｍａｘを超えないよう、トルクＴ１に対して上限ガード処理を実行する（ステップＳ３１２）。
【００７６】
エンジン１５０の回転数が比較的低い場合には、慣性の影響によりモータＭＧ１から大きなトルクを出力してもエンジン１５０の回転数の上昇につながらない。かかる状態でモータＭＧ１の要求トルクを大きな値に設定することは電力を無駄に消費することにつながる。本実施例では、かかる観点から回転数ＮｅがＮｅｔａｇ以下の場合にはモータＭＧ１をランプ制御するものとしている。
【００７７】
一方、エンジン１５０の回転数ＮｅがＮｅｔａｇよりも大きい場合には、ＣＰＵはモータＭＧ１のトルクをフィードバック制御する。このフィードバック制御は、エンジン１５０の回転数Ｎｅが所定の目標回転数Ｎ１＊に一致するようになされる。但し、目標回転数Ｎ１＊は車両の走行状態により異なる値を適用する。ＣＰＵは車両が停車中であるか否かを判定し（ステップＳ３２０）、停車中でない場合には目標回転数Ｎ１＊に値Ｎｅ＊を代入する（ステップＳ３２２）。この値はエンジン運転制御処理（図４）のステップＳ２２０で設定された値である。車両が停車中の場合には、目標回転数Ｎ１＊として値Ｎｅ＊から所定の値αを減じた値を設定する（ステップＳ３２４）。本実施例では、後述する通り、所定の値αを３０〜５０ｒｐｍ程度に設定している。
【００７８】
先に説明した通り、車両の走行中においては、モータＭＧ１でエンジン１５０に負荷を与えないと、エンジン１５０は非常に高い回転数で運転されることになる。目標回転数Ｎ１＊およびＮｅ＊はエンジン１５０の制御によって実現される回転数よりも低い値である。一方、停車中においては、エンジン１５０が目標回転数Ｎｅ＊で運転するように制御される。ステップＳ３２２で説明した通り、値Ｎｅ＊から所定の値αを減じた値に設定することにより、目標回転数Ｎ１＊はエンジン１５０の制御によって実現される回転数よりも低い値となる。このように本実施例では、モータＭＧ１のトルクの算出に用いる目標回転数Ｎ１＊を、車両の走行状態に関わらず、エンジン１５０の制御によって実現される回転数よりも低い値に設定している。
【００７９】
次に、ＣＰＵは、こうして設定された目標回転数Ｎ１＊とエンジン１５０の回転数Ｎｅとの偏差Δｎｃに基づいて、以下の式によりモータＭＧ１のトルクＴ１を設定する（ステップＳ３２６）。
Ｔ１＝ｋ１・Δｎｃ＋ｋ２・Σ（Δｎｃ）
Δｎｃ＝Ｎ１＊−Ｎｅ
【００８０】
上式は、いわゆるＰＩ制御によりモータＭＧ１のトルクを設定するための式である。回転数の偏差Δｎｃの比例項（右辺第１項）と積分項（右辺第２項）によりトルクＴ１が設定される。ｋ１，ｋ２はそれぞれゲインとして予め実験または解析により設定された一定の係数である。エンジン１５０の回転数Ｎｅが目標回転数Ｎ１＊よりも高い場合にはモータＭＧ１のトルクＴ１は負の値となり、低い場合には正の値となる。ＰＩ制御は周知の技術であるため、これ以上の詳細な説明を省略する。こうして設定されたトルクＴ１に対してＣＰＵは徐変処理を実行する（ステップＳ３２８）。モータＴ１のトルクが急変し、運転状態が不安定になることを回避するためである。
【００８１】
以上の処理によりＭＧ１のトルクＴ１が設定されると、ＣＰＵはモータＭＧ１の運転の制御を行う（ステップＳ３３０）。ＣＰＵはトルクＴ１に応じてモータＭＧ１の三相コイルに印加すべき電圧を設定する。この電圧値がモータＭＧ１の回転数に応じた位相で三相コイルに印加されるよう、駆動回路１９１を構成する各トランジスタのオン・オフをＰＷＭ制御する。モータＭＧ１のトルクが負の場合、即ちモータＭＧ１を回生運転する場合も同様である。同期電動機のＰＷＭ制御は周知の技術であるため、詳細な説明は省略する。
【００８２】
モータＭＧ１の制御と並行して、ＣＰＵは目標トルクＴ１が負になってからの経過時間の計測を行う（ステップＳ３３２）。これは連続して負になっている時間の計測である。従って、目標トルクＴ１が負の値になった後、再び正の値に変動すれば、経過時間は値０に初期化される。以上の処理を実行すると、ＣＰＵはモータＭＧ１制御処理ルーチンを終了し、始動制御処理ルーチン（図２）に戻る。
【００８３】
その後、ＣＰＵはモータＭＧ２の運転を制御する処理を実行する（ステップＳ４００）。モータＭＧ２はＭＧ１のトルクによる反力を相殺しつつ、必要な動力を駆動軸１１２に出力するように制御される。モータＭＧ１からトルクＴ１が出力されると、先に示した式（１）により、その反力がリングギヤ１２２に出力される。停車中には、この反力を相殺するトルクがモータＭＧ２の目標トルクとして設定される。なお、車両が走行している場合には、反力を相殺するトルクに対して走行に必要なトルクを加えた値がモータＭＧ２の目標トルクとして設定される。ＣＰＵはこうして設定された目標トルクに応じた電圧がモータＭＧ２の三相コイルに印加されるように、駆動回路１９２を構成する各トランジスタのオン・オフをＰＷＭ制御する。
【００８４】
以上の処理によりエンジン１５０の回転数は時々刻々変動する。始動制御処理ルーチンが開始された当初、エンジン１５０の回転数が低い場合には、モータＭＧ１のトルクをランプ制御することによりエンジン１５０の回転数が徐々に上昇する。ＣＰＵはこのように変動するエンジン１５０の回転数Ｎｅが点火回転数Ｎｅｔａｇ以上であるか否かを判定し（ステップＳ５００）、点火回転数Ｎｅｔａｇ以上になった場合には、エンジン１５０への燃料噴射および点火処理を実行する（ステップＳ６００）。既に説明した通り、かかる処理を実行してエンジン１５０の運転を開始する指示をＥＦＩＥＣＵ１７０に出力するのである。もちろん、既にエンジン１５０の運転が既に開始されている場合には、この処理は行わない。また、エンジン１５０の回転数Ｎｅが点火回転数Ｎｅｔａｇよりも低い場合にもこの処理は行わない。
【００８５】
次に、ＣＰＵはエンジン１５０の完爆判定として、モータＭＧ１のトルクＴ１が負になってからの経過期間が所定の値Ｔｓを超えたか否かを判定する（ステップＳ７００）。完爆判定とは、エンジン１５０が自立運転を開始したか否かの判定をいう。エンジン１５０が自立運転を開始すると、エンジン１５０の運転がエンジン運転制御処理（ステップＳ２００）により制御される。この結果、エンジン１５０はモータＭＧ１のトルク算出の基準となる目標回転数Ｎ１＊よりも高い回転数で回転するよう制御される。
【００８６】
その一方で、モータＭＧ１はエンジン１５０の回転数を目標回転数Ｎ１＊に低減させるよう負のトルクを出力するようになる。エンジン１５０が自立運転していない状態では、エンジン１５０は、モータＭＧ１が負荷をかけた状態でＮ１＊以上の回転数を維持することができない。従って、モータＭＧ１のトルクＴ１が負になる期間が所定値ｃｓを超えたか否かにより完爆判定を行うことができる。所定値ｃｓを超えた場合には、エンジン１５０が自立運転を開始したと判定してＣＰＵは始動制御処理ルーチンを終了する。所定値ｃｓ以下の場合には、エンジン１５０が自立運転を行っていないと判定して、ＣＰＵはステップＳ２００〜Ｓ６００までの処理を繰り返し実行する。所定値ｃｓは、始動時のエンジン回転数、モータＭＧ１のトルク等の変化に基づいて、以下に示す通り実験的または解析的に予め設定することができる。
【００８７】
本実施例の始動制御処理に伴うエンジン回転数、モータＭＧ１のトルク等の変化の様子を示す。図９は、車両の走行中に始動制御処理が実行された場合のエンジン回転数等の変動を示す説明図である。図示する通り、時刻ｔ１においてエンジン１５０の始動制御が開始されると、モータＭＧ１のトルクは一定の変化率で最大トルクＴｍａｘまで上昇する（図８のステップＳ３１０，Ｓ３１２参照）。エンジン１５０の回転数はモータＭＧ１のトルクによって徐々に増加する。
【００８８】
こうして時刻ｔ２においてエンジン１５０の回転数が所定の点火回転数Ｎｅｔａｇに達すると、エンジン１５０への燃料の供給および点火が行われる。点火回転数Ｎｅｔａｇに達した後は、モータＭＧ１のトルクはＰＩ制御により設定される（図８のステップＳ３２０〜Ｓ３２８参照）。車両の走行中はエンジン１５０の目標回転数Ｎｅ＊と現実の回転数Ｎｅとの偏差に基づいて設定される。時刻ｔ２〜ｔ３の区間では、エンジンの回転数は目標回転数Ｎｅ＊よりも低いため、モータＭＧ１のトルクは正の値となる。
【００８９】
時刻ｔ３において、エンジン１５０の回転数が目標回転数Ｎｅ＊に至ると、モータＭＧ１のトルクは負に転じる。この場合、エンジン１５０が自立運転を開始していなければ図中の破線で示すように、エンジン１５０の回転数は値Ｎｅ＊以下に低下する。従って、モータＭＧ１のトルクはすぐに再び正の値に戻ることになる。
【００９０】
一方、エンジン１５０が自立運転を開始していれば、エンジン１５０は動力Ｐｅ＊を出力するよう制御される。従って、エンジン１５０の回転数は増大する。モータＭＧ１はエンジン１５０の回転数を値Ｎｅ＊に低減させるため、負のトルクを出力する。こうしてエンジン１５０の回転数が値Ｎｅ＊で安定するまで、しばらくの期間、モータＭＧ１のトルクは負の値となる。
【００９１】
時刻ｔ３においてモータＭＧ１のトルクが負に転じると、完爆判定カウンタが経過時間の計測を開始する。エンジン１５０が自立運転を開始していれば図示する通り、完爆判定カウンタは一定の割合で増加する。時刻ｔ４になり、経過時間が所定の値ｃｓを超えると、ＣＰＵはエンジン１５０が自立運転を開始したと判定して始動制御を終了する。
【００９２】
完爆判定の基準となる経過時間ｃｓは、こうした回転数等の変動に基づいて、エンジン１５０が自立運転を開始したことを判定し得る適切な値を設定する。例えば、経過時間ｃｓを小さい値に設定すれば、図９中の破線で示したようにエンジン１５０が自立運転を開始していない場合におけるモータＭＧ１のトルク変動によって、エンジン１５０が自立運転を開始したものと誤判定する可能性がある。一方、値ｃｓを大きい値に設定すれば、完爆判定に要する時間が長くなる。また、エンジン１５０の回転数がＮｅ＊で安定するまでの制御の応答性によってはモータＭＧ１のトルクがわずかの間、正に転じる可能性もあり、誤判定を招く可能性もある。本実施例では、これらの条件を考慮して経過時間ｃｓを数秒に設定している。なお、経過時間ｃｓをエンジン水温等に応じて変化させるものとしても構わない。
【００９３】
次に、停車中においてモータＭＧ１のトルクＴ１の設定に使用される目標回転数Ｎ１＊の設定について説明する。図１０は、停車中に始動制御処理が実行された場合のエンジン回転数等の変動を示す説明図である。走行中と同様、時刻ｔ１１において始動制御が開始されると、モータＭＧ１のトルクＴ１は最大値Ｔｍａｘまで上昇する。時刻ｔ１２においてエンジン１５０の回転数が値Ｎｅｔａｇに達すると燃料の供給および点火が行われ、エンジン１５０は運転を開始する。その後、モータＭＧ１の運転はＰＩ制御される（図８のステップＳ３００〜Ｓ３２８参照）。
【００９４】
時刻ｔ１２〜ｔ１３の区間では、エンジン１５０の回転数はＰＩ制御の目標回転数Ｎ１＊よりも低いため、モータＭＧ１のトルクは正の値となる。エンジン１５０の回転数が目標回転数Ｎ１＊を超えるとモータＭＧ１のトルクは負に転じる。ここでエンジン１５０が自立運転を開始していなければ、エンジン１５０の回転数はすぐに低下し、モータＭＧ１のトルクは再び正の値となる。この点は走行中の変化（図９参照）と同様である。
【００９５】
一方、エンジン１５０が自立運転を開始している場合、停車中はエンジン１５０はアイドル運転するように制御される（図４参照）。エンジン１５０はアイドル回転数Ｎｅ＊で回転するように制御される。その一方で、モータＭＧ１はアイドル回転数Ｎｅ＊よりも低い目標回転数Ｎ１＊でエンジン１５０を運転するように制御される。両制御の相互作用によってモータＭＧ１のトルクは継続的に負の値となる。この結果、時刻ｔ１３以降で完爆判定カウンタは一定の変化率で増加する。時刻ｔ１４において、経過時間が所定の値ｃｓを超えるとＣＰＵはエンジン１５０が自立運転を開始したものと判定し始動制御処理を終了する。
【００９６】
ＥＦＩＥＣＵ１７０が、エンジン１５０をアイドル運転するための制御は、エンジン１５０の運転状態が頻繁に変動することを回避するため、所定の不感帯を設けるのが通常である。即ち、アイドル運転の制御は、エンジン１５０の回転数がアイドル回転数Ｎｅ＊に対して所定の範囲に収まるように実行されるのが通常である。目標回転数Ｎ１＊がこの不感帯に入る程、アイドル回転数Ｎｅ＊と等しい場合には、エンジン１５０が自立運転を開始するとモータＭＧ１のトルクＴ１はほぼ値０となるため、完爆判定を適切に実行することができなくなる。
【００９７】
一方、目標回転数Ｎ１＊をアイドル回転数Ｎｅ＊よりも極端に低い値に設定すると、モータＭＧ１の負荷によってエンジン１５０の運転が不安定になったり、停止したりする可能性もある。また、本実施例のようにプラネタリギヤ１２０を介してエンジン１５０とモータＭＧ１等を結合した構成では、目標回転数Ｎ１＊を低い値にするとプラネタリギヤ１２０で歯打ち音が発生することも知られている。さらに、目標回転数Ｎ１＊を低い値に設定すると、エンジン１５０の回転が不安定になる結果、いわゆる捻り共振が発生することも知られている。本実施例では、これらの条件を考慮して、エンジン１５０の運転を妨げない範囲に目標回転数Ｎ１＊を設定しており、アイドル回転数Ｎｅ＊よりも３０〜５０ｒｐｍ程度低い値を目標回転数Ｎ１＊としている。つまり、図８のステップＳ３２４における値αを３０〜５０ｒｐｍ程度としている。
【００９８】
以上で説明した本実施例のハイブリッド車両によれば、エンジン１５０の完爆判定を精度良く行うことができ、エンジン１５０を適切に始動することができる。従って、エンジン１５０の始動時における電力の消費を抑制することができる。また、エンジン１５０を速やかかつ確実に始動することができるため、走行中の車両の応答性を向上することができる。
【００９９】
また、本実施例のハイブリッド車両では、停車中にはエンジン１５０の要求動力を値０として始動することができる。この結果、始動時のエンジン１５０の振動を低減することができる。また、始動時の燃料消費量およびエミッションを抑制することができる。
【０１００】
本実施例のハイブリッド車両では、停車中にはモータＭＧ１のトルクを設定するための目標回転数Ｎ１＊をエンジン１５０のアイドル回転数Ｎｅ＊よりも敢えて低い値とすることにより、モータＭＧ１のトルクに基づく完爆判定を可能とした。この結果、要求動力を値０としてエンジン１５０を始動することが可能となり、上述の種々の効果を得ることができた。ハイブリッド車両は、燃料消費量およびエミッションに優れている特性を有しており、上述の効果は、この特性を更に向上させるものである。
【０１０１】
なお、本実施例のハイブリッド車両は、エンジン水温が低い場合には要求動力を正の値とする。従って、低温下にある場合にエンジンを適切に始動することができる。また、走行中には走行状態に応じた要求動力でエンジン１５０を始動する。従って、エンジン１５０の始動とともに、走行に必要な動力を速やかに出力することができ、バッテリの電力消費を抑制することができるとともに、車両の応答性を向上することができる。
【０１０２】
本実施例では、プラネタリギヤ１２０を適用したハイブリッド車両を例示した。本発明はこれに関わらず種々の構成からなるハイブリッド車両に適用可能である。図１１は変形例としてのハイブリッド車両の構成を示す説明図である。このハイブリッド車両では、プラネタリギヤ１２０およびモータＭＧ１に代えて、クラッチモータＣＭを備える。クラッチモータとは、相対的に回転可能なインナロータ２０２およびアウタロータ２０４を備える対ロータ電動機である。図１１に示す通り、インナロータ２０２はエンジン１５０のクランクシャフト１５６に結合され、アウタロータ２０４は駆動軸１１２に結合されている。アウタロータ２０４には、スリップリング２０６を介して電力が供給される。アウタロータ２０４側の軸にはモータＭＧ２も結合されている。その他の構成は、本実施例のハイブリッド車両と同様である。
【０１０３】
エンジン１５０から出力された動力は、クラッチモータＣＭを介して駆動軸１１２に伝達することができる。クラッチモータＣＭは、インナロータ２０２とアウタロータ２０４との間に電磁的な結合を介して動力を伝達する。この際、アウタロータ２０４の回転数がインナロータ２０２の回転数よりも低ければ、両者の滑りに応じた電力をクラッチモータＣＭで回生することができる。逆に、クラッチモータＣＭに電力を供給すれば、インナロータ２０２の回転数を増速して駆動軸１１２に出力することができる。エンジン１５０からクラッチモータＣＭを介して出力されたトルクが駆動軸１１２から出力すべき要求トルクと一致しない場合には、モータＭＧ２で補償することができる。
【０１０４】
また、クラッチモータを力行すれば、エンジン１５０をモータリングして始動することができる。モータリング時には、インナロータ２０２とアウタロータ２０４間での作用・反作用の原理に基づき、反力トルクが車軸側に出力される。この反力トルクはモータＭＧ２で相殺することができる。本発明を第１のハイブリッド車両に適用すれば、かかる始動時にクラッチモータＣＭのトルクに基づいてエンジン１５０の完爆判定を行うことが可能である。
【０１０５】
本発明は、このようにエンジン１５０の動力を駆動軸に直接出力可能なパラレルハイブリッド車両の他、いわゆるシリーズハイブリッド車両に適用することも可能である。図１２は、シリーズハイブリッド車両の構成を示す説明図である。シリーズハイブリッド車両では、エンジン１５０のクランクシャフトは発電機Ｇの回転軸に機械的に結合されている。エンジン１５０は駆動軸には結合されていない。エンジン１５０を運転することにより発電機Ｇで電力を発生することができる。発電された電力は、バッテリに蓄電される。一方、駆動軸にはモータＭが結合されている。モータＭはバッテリの電力により回転する。
【０１０６】
シリーズハイブリッド車両では、バッテリの充電量に応じてエンジン１５０を運転・停止する。バッテリの電力が消費され、充電が必要になるとエンジン１５０を始動して充電を開始する。始動は発電機Ｇでエンジン１５０をクランキングして行われる。本発明をかかるシリーズハイブリッド車両に適用すれば、かかる始動時に発電機Ｇのトルクに基づいてエンジン１５０の完爆判定を行うことが可能となる。
【０１０７】
その他、本発明は、ハイブリッド車両の他、エンジンのみを動力源とする通常の車両にも適用可能である。また、車両に関わらず、エンジンを動力源として搭載する種々の装置において、エンジンの運転を始動する始動制御装置に適用するものとしてもよい。
【０１０８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態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。例えば、上記実施例では、ソフトウェアにより種々の制御を実行しているが、これらをハードウェアによって実現するものとしても構わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例としてのハイブリッド車両の概略構成を示す構成図である。
【図２】始動制御処理ルーチンのフローチャートである。
【図３】吸気弁閉じ角について示す説明図である。
【図４】エンジン運転制御処理ルーチンのフローチャートである。
【図５】動作曲線について示す説明図である。
【図６】エンジン水温と要求動力との関係を示す説明図である。
【図７】エンジン水温と目標回転数との関係を示す説明図である。
【図８】ＭＧ１運転制御処理ルーチンのフローチャートである。
【図９】車両の走行中に始動制御処理が実行された場合のエンジン回転数等の変動を示す説明図である。
【図１０】停車中に始動制御処理が実行された場合のエンジン回転数等の変動を示す説明図である。
【図１１】変形例としてのハイブリッド車両の構成を示す説明図である。
【図１２】シリーズハイブリッド車両の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１１２…駆動軸
１１６Ｒ，１１６Ｌ…車輪
１１９…ケース
１２０…プラネタリギヤ
１２１…サンギヤ
１２２…リングギヤ
１２３…プラネタリピニオンギヤ
１２４…プラネタリキャリア
１２５…サンギヤ軸
１２６…リングギヤ軸
１２７…プラネタリキャリア軸
１２９…チェーンベルト
１３０…ダンパ
１３１，１４１…三相コイル
１３２，１４２…ロータ
１３３，１４３…ステータ
１４４…回転数センサ
１４９…バッテリ
１５０…エンジン
１５４…水温センサ
１５６…クランクシャフト
１６５…アクセル開度センサ
１９０…制御ユニット
１９１，１９２…駆動回路
１９４…バッテリ
２０２…インナロータ
２０４…アウタロータ
２０６…スリップリング

Claims (8)

1. エンジンに結合された電動機の動力によって該エンジンを回転させるとともに、燃料の供給および点火を行って該エンジンを自立運転させる始動制御装置であって、
   該エンジンの自立運転時の要求動力を設定する動力設定手段と、
   前記要求動力に応じた運転状態で前記エンジンの運転を制御するエンジン制御手段と、
   前記エンジンの運転を阻害しない範囲で、前記エンジン制御手段によって実現されるエンジン回転数よりも有意に低い電動機目標回転数で前記電動機を回転させる電動機制御手段と、
   該電動機のトルクに基づいて前記エンジンが自立運転を開始したか否かを判定する自立運転判定手段とを備える始動制御装置。
2. 請求項１記載の始動制御装置であって、
   前記動力設定手段は、前記要求動力を値０に設定する手段であり、
   前記エンジン制御手段は、所定のエンジン回転数で前記エンジンを回転させる手段である始動制御装置。
3. 請求項２記載の始動制御装置であって、
   前記エンジンの温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記動力設定手段は、該温度が前記エンジンの点火の容易性に応じて定まる所定値以下の場合には、前記要求動力を正の所定値とする手段である始動制御装置。
4. エンジンと第１の電動機とを動力の供給源として搭載し、該エンジンに結合された第２の電動機によって該エンジンの始動および停止を制御しながら走行するハイブリッド車両であって、
   該エンジンの始動要求に応じて、前記第２の電動機を制御して該エンジンを回転させるとともに、前記エンジンへの燃料の供給および点火を行うエンジン点火制御手段と、
   該エンジンの自立運転時の要求動力を設定する動力設定手段と、
   前記要求動力に応じた運転状態で前記エンジンを運転するエンジン制御手段と、
   前記エンジンの運転を阻害しない範囲で、前記エンジン制御手段によって実現されるエンジン回転数よりも有意に低い電動機目標回転数で前記第２の電動機を回転させる電動機制御手段と、
   該第２の電動機のトルクに基づいて前記エンジンが自立運転を開始したか否かを判定する自立運転判定手段とを備えるハイブリッド車両。
5. 請求項４記載のハイブリッド車両であって、
   前記動力設定手段は、前記要求動力を値０に設定する手段であり、
   前記エンジン制御手段は、所定のエンジン回転数で前記エンジンを回転させる手段であるハイブリッド車両。
6. 請求項５記載のハイブリッド車両であって、
   前記エンジンの温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記動力設定手段は、該温度が前記エンジンの点火の容易性に応じて定まる所定値以下の場合には、前記要求動力を正の所定値とする手段であるハイブリッド車両。
7. 請求項５記載のハイブリッド車両であって、
   前記車両が停車中であるか否かを判定する停車判定手段を備え、
   前記動力設定手段は、前記車両が停車中でない場合には、前記要求動力を正の所定値とする手段であるハイブリッド車両。
8. エンジンに結合された電動機の動力によって該エンジンを回転させるとともに、燃料の供給および点火を行って該エンジンを自立運転させる制御方法であって、
   （ａ） 該エンジンの自立運転時の要求動力を設定する工程と、
   （ｂ） 前記要求動力に応じた運転状態で前記エンジンの運転を制御する工程と、
   （ｃ） 前記エンジンの運転を阻害しない範囲で、前記エンジン制御手段によって実現されるエンジン回転数よりも有意に低い電動機目標回転数で前記電動機を回転させる工程と、
   （ｄ） 該電動機のトルクに基づいて前記エンジンが自立運転を開始したか否かを判定する工程とを備える制御方法。

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