JP4066191B2 - シリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関を発電専用として使用し、モータで駆動するシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置に関する。

近年、内燃機関（以下エンジンという）の排ガスに含まれるパティキュレート・マター（以下ＰＭという）や窒素酸化物（以下ＮＯｘという）の低減が求められている。
これらの対策として、ＰＭについてはエンジンの排気流路にフィルタを設けることで捕集できるのだが、捕集して放置しておくとフィルタが詰まってしまうので何らかの手段を用いてＰＭを焼却等して処理しなくてはならない。このフィルタを再生させる手段のひとつとして化学反応を利用し連続的にＰＭを焼却する連続再生式フィルタがある。連続再生式フィルタは排ガス中の二酸化窒素（ＮＯ₂）を利用してＰＭを燃焼させるので一般的な大気中の酸素（Ｏ₂）を利用して燃焼させるよりも比較的低温で燃焼させることができるが、それでもある程度フィルタが高温雰囲気下でないと十分に機能しないという問題がある。

ＮＯｘについては、排出ガスをＥＧＲガスとして再び吸気系に再循環させるＥＧＲシステムが有効であるが、特にディーゼルエンジンによく用いられる高過給のターボ過給機を備えていると吸気圧が排気圧よりも高くなる場合がありＥＧＲシステムを有効に適用するのが困難である。
また、ガソリンエンジンに関してはＮＯｘの排出を低減する手段として三元触媒等が有効であるが、三元触媒に関しても低温雰囲気下では機能しないという問題がある。

そして、これらの問題を解決するために動力として内燃機関とモータとを使用するハイブリット車両の排気流路にパティキュレート・マターを捕集するフィルタを設け、走行用バッテリとは別にフィルタ加熱用のバッテリを設け、加熱用バッテリからフィルタに設けられたヒータに電力を供給することにより捕集したＰＭを燃焼させる技術が開発されている（特許文献１参照）。
特開２００１−３５５４３４号公報

上記特許文献１に開示された技術は、内燃機関とモータを動力とする所謂パラレル式のハイブリット車両であり、ヒータを加熱するためのバッテリ（第２バッテリ）を走行用のバッテリ（第１バッテリ）とは別に設けている。また、上記特許文献１に開示された技術では、第２バッテリから直接ヒータに電力を供給する構成であるが、過剰電流の防止や、フィルタの条件に応じて最適に制御するためにインバータを介して行うことが望ましい。

しかし、バッテリやインバータは比較的コストがかかる上、重く大型な構造をしておりヒータを加熱するためにこれらを追加して設けるには車両搭載上に問題がある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、コストの増加を抑えつつ、効率よく確実に排ガスを浄化することができるシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１のシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置では、内燃機関により駆動される発電機と、該発電機の出力によってインバータを介して充電される走行用のバッテリと、該バッテリから前記インバータを介して電力が供給されるモータとを備えたシリーズ式ハイブリッド車両において、前記内燃機関の排気経路に設けられ、前段に酸化触媒が配設され、後段に排気中のパティキュレート・マターを捕集するフィルタが配設されて構成された排気浄化手段と、前記内燃機関の停止時に、前記バッテリから前記インバータを介して電力が供給されることにより前記排気浄化手段の温度を上げる昇温手段とを備え、前記内燃機関の停止時であり、前記フィルタが所定温度以上であるときに、前記バッテリから前記インバータを介し前記発電機に電力を供給し、該発電機により前記内燃機関を回転作動させ、捕集されたパティキュレート・マターを燃焼するための空気をフィルタに供給することを特徴としている。

つまり、シリーズ式ハイブリット車両の内燃機関の排気経路に設けられた排気浄化装置を、内燃機関が停止中に走行用のバッテリからインバータを介して電力を昇温手段に供給し昇温させる。

また、排気浄化装置を所謂連続再生式フィルタとすることで、前段酸化触媒により排ガス中の炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）に変化させるとともに、ＮＯｘ中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ_２）に効率よく変化させ、一時的にＮＯ_２濃度を高め、後段のフィルタによりＰＭを捕集し、捕集したＰＭを前段で生成されたＮＯ_２で燃焼させる。

さらに、バッテリの蓄電量が十分にあり、排気浄化装置の温度も排ガスを浄化するのに十分な温度を有しているときに、バッテリの電力を発電機に供給し、発電機により内燃機関を極低回転させることで排気浄化装置に空気を送ることとしている。
請求項２のシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置では、前記フィルタはＳｉＣ製フィルタであり、前記昇温手段は電力を直接前記ＳｉＣに通電させることによりフィルタ自体を発熱させ昇温させることであることを特徴としている。

つまり、フィルタを通電性を有するＳｉＣ（シリコンカーボン、炭化珪素）フィルタとし、当該ＳｉＣフィルタに直接電力を供給することによって発熱させ昇温させることとしている。
請求項３のシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置では、前記フィルタはコーディライト製フィルタであり、前記昇温手段は前記フィルタの周囲に設けられ電力が供給されることで発熱するヒータであることを特徴としている。

つまり、フィルタを通電性のないコーディライトフィルタとするときには、当該コーディライトフィルタの周囲にヒータを設け、当該ヒータに電力を供給し発熱させることでコーディライトフィルタを昇温させることとしている。
請求項４のシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置では、前記内燃機関は、排気経路に配設されたタービンと吸気経路に配設されたコンプレッサとから構成されるターボ過給機と、前記コンプレッサの吸気上流側と前記排気浄化装置の排気下流側とを接続したＥＧＲ通路とを備え、前記内燃機関が一定の運転状態で運転されるとともに、前記ＥＧＲ通路を通るＥＧＲガスの還流量が前記内燃機関の運転状態により自動的に調節されることを特徴としている。

つまり、シリーズ式ハイブリット車両にターボ過給機付きの内燃機関を搭載し、上記排気浄化装置により浄化された排ガスをＥＧＲガスとして、ターボ過給機のコンプレッサにより圧縮される前の吸気上流側に還流することとする。
そして、シリーズ式ハイブリット車両の内燃機関は一定運転されるものなので特にＥＧＲバルブ等を設けてＥＧＲガスの還流量を調節せずに、エンジンの運転状態に応じたコンプレッサ前の吸気負圧により自動的に一定のＥＧＲガスを還流する。

上記手段を用いる本発明の請求項１のシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置によれば、シリーズ式ハイブリット車両に設けられる走行用のバッテリから、発電機がバッテリを充電する際に使用しているインバータを介して昇温手段に電力を供給することで、昇温手段用の新たなバッテリやインバータを設けずに、排気浄化装置の昇温を十分に行うことができる。

したがって、コストの増加を抑えつつ、効率よく確実に排ガスを浄化することができる。
また、排気浄化手段を、前段に酸化触媒が配設され後段に排気中のパティキュレート・マターを捕集するフィルタが配設された構成とし、酸素（Ｏ_２）ではなく二酸化窒素（ＮＯ_２）を利用してＰＭを燃焼させることで比較的低温で連続的にＰＭを処理することができる。

さらに、内燃機関が停止中に、発電機により内燃機関を極低回転で回転させることで排気浄化装置内に空気を送り込み、空気中に含まれる酸素（Ｏ_２）をフィルタに供給することでＰＭの燃焼をさらに促進させることができる。
請求項２のシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置によれば、フィルタに通電性を有するＳｉＣを用いることで特別に昇温装置を設ける必要なく直接電力を供給するという簡単な構成で昇温させることができる。

請求項３のシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置によれば、フィルタに通電性のないコーディライトを用いてもヒータを設けることで十分に昇温させることができる。
請求項４のシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置によれば、内燃機関がターボ過給機を備える場合であっても、効率よく大量のＥＧＲガスを還流させることができるので、車両の排気浄化性能を向上させることができる。

また、シリーズ式ハイブリット車両の内燃機関の一定運転によりＥＧＲバルブ等を必要としないことで構造的にも簡素化を図ることができ、圧力損失の低減による内燃機関の燃費の改善も図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明に係るシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置の概略構成図が示されている。
図１に示すように、発電専用のエンジン（内燃機関）１は例えば４気筒ディーゼルエンジンであり、コモンレール式燃料噴射装置を備えており、コモンレール２に蓄圧された高圧燃料を各気筒４の燃料噴射弁６に供給し、任意の噴射時期及び噴射量で燃料噴射弁６から各気筒４の筒内に噴射可能に構成されている。

エンジン１の吸気側には吸気マニホールド８が接続されており、吸気マニホールド８からは吸気管１０が延びている。吸気管１０の吸気上流端にはエアクリーナ１２が設けられており、吸気管１０の途中にはターボ過給機１４のコンプレッサ１４ａが設けられ、当該コンプレッサ１４ａの吸気下流側にはインタークーラ１６が設けられている。
一方、エンジン１の排気側には排気マニホールド１８が接続されており、排気マニホールド１８からは排気管２０が延びている。排気管２０の途中には上記コンプレッサ１４ａと同軸上に連結されているタービン１４ｂが設けられており、排気管２０の排気下流側には排気浄化装置３０が接続されている。

排気浄化装置３０は、ケース３２内の前段に酸化触媒３４を、後段にフィルタ３６を設けた所謂連続再生式フィルタである。
酸化触媒３４は、例えばハニカム構造のセラミックス製の触媒担体上に白金（Ｐｔ）等の触媒金属を担持して構成されており、排ガス中の炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）に変えるとともに、ＮＯｘのうち一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）に効率よく変化させ、二酸化窒素の比率を一時的に高めるものである。

フィルタ３６は、通電性のあるＳｉＣ（シリコン・カーボン、炭化珪素）製セラミックスをハニカム状に組み立てたＳｉＣフィルタであり、ＰＭを捕集し、前段の酸化触媒で生成された二酸化窒素（ＮＯ₂）で燃焼させ二酸化炭素（ＣＯ₂）に変化させる。また、フィルタ３６にはフィルタ温度Ｔを検出するフィルタ温度センサ３８が設けられている。
さらに、排気浄化装置３０により浄化された排ガスをＥＧＲガスとして吸気側に還流するＥＧＲ通路４０が、吸気管１０のコンプレッサ１４ａの吸気上流側と排気管２０の排気浄化装置３０の排気下流側とを連通するように設けられており、当該ＥＧＲ通路４０の途中にはＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ４２が設けられている。

また、エンジン１の動作状態やフィルタ温度センサ３８からの検知データを入力し各種エンジン関係の制御を行うエンジンＥＣＵ５０が設けられている。
エンジン１は図示していないクランクシャフトを介して発電機６０と接続されており、当該発電機６０はエンジン１の駆動によりクランクシャフトを介して同期回転することで発電を行う。そして発電機６０により発電された電力はインバータ６２を介して走行用バッテリ６４に蓄電される。また、エンジン１が停止しているときであれば、発電機６０は電力を供給されることにより回転し、クランクシャフトを介してエンジン１を駆動させる機能も有している。

また、インバータ６２はＨＥＶＥＣＵ８０と接続されており、ＨＥＶＥＣＵ８０は例えば運転者のアクセル踏み込み量を検出するアクセルセンサ６６からの入力に基づきインバータ６２を制御し、走行用バッテリ６４に蓄電された電力をインバータ６２を介してモータ６８に供給させてモータ６８を駆動させることでディファレンシャルギヤ７０を介して車輪７２を回転させ車両を駆動させる。また、モータ６８は車両の減速時に制動エネルギを電力に回生する発電機としての機能も有する。また、車輪７２には車輪７２の回転を検知する車輪回転センサ７４が設けられている。

さらに、インバータ６２は上記排気浄化装置３０のフィルタ３６と電気的に接続されており、走行用バッテリ６４からフィルタ３６に電力を供給することができるよう構成されている。
また、走行用バッテリ６４には蓄電量Ｖ等のバッテリ状態を管理するバッテリ管理装置７６が接続されており、該バッテリ管理装置７６は走行用バッテリ６４の蓄電量Ｖ等の情報をＨＥＶＥＣＵ８０へ出力する。

ＨＥＶＥＣＵ８０とエンジンＥＣＵ５０は互いに接続されており相互の情報に基づきそれぞれの管理制御を行う。
以下このように構成された本発明に係るシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置の作用について説明する。
図２を参照すると、エンジンＥＣＵ５０及びＨＥＶＥＣＵ６０により実行されるインバータ６２の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに基づき説明する。

まず、ステップＳ１では、車輪回転センサ７２から車輪７０の回転を検出し、車輪７０が回転しているか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）、即ち車両が停止している場合には、ステップＳ５に進む。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）、即ち車両が走行している場合にはステップＳ２に進む。
ステップＳ２では、アクセルセンサ６６からアクセルの踏み込みを検出し、運転者がアクセルを踏んでいるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）、即ち運転者がアクセルを踏んでいない状態、つまり車両が減速している場合にはステップＳ４に進む。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）、即ち運転者が踏み込んでいる状態、つまり車両が加速している場合にはステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、アクセルの踏み込み量に応じて走行用バッテリ６４からインバータ６２を介してモータ６８に電力を供給しモータ６８を駆動させ、ステップＳ５に進む。
ステップＳ４では、図３に示すようにモータ６８を発電機として利用し、制動エネルギを電力に回生してインバータ６２を介して走行用バッテリ６４に蓄電し、ステップＳ７に進む。

ステップＳ５では、バッテリ管理装置７６から走行用バッテリの蓄電量Ｖを検出し、当該検出した蓄電量Ｖが所定蓄電量Ｖ１よりも高いか否かを判別する。所定蓄電量Ｖ１は例えば車両を走行させるために最低限必要なバッテリ蓄電量である。当該判別結果が偽（Ｎｏ）、即ち走行用バッテリ６２の蓄電量Ｖが低下している場合はステップＳ６に進む。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）、即ちバッテリ蓄電量が十分にある場合にはステップＳ７に進む。

ステップＳ６では、図４に示すように、走行用バッテリ６４の蓄電量Ｖを補填させるために、エンジン１を運転させ発電機６０を駆動させることで発電を行い、当該ルーチンを抜ける。
ここでのエンジン１の運転状態は、エンジンＥＣＵ５０により燃費効率の最適な点で一定運転するよう制御される。具体的なエンジン１に吸排気の流れは、コンプレッサ１４ａにより圧縮された空気を各気筒４に吸気し、燃焼噴射弁６より燃料を噴射することによって燃焼が生起され、燃焼によって生成された高温の排ガスは途中タービン１４ｂを回転させ排気浄化装置３０内へと流入していく。

排気浄化装置３０内では前段の酸化触媒３４により排ガス中の炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）に変えるとともに、ＮＯｘのうち一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）に効率よく変化させ、二酸化窒素（ＮＯ₂）の比率を一時的に高め、後段のフィルタ３６ではＰＭを捕集し前段の酸化触媒３４で生成された二酸化窒素（ＮＯ２）で燃焼させ二酸化炭素（ＣＯ₂）に変化させる。

このときフィルタ３６の温度は高温の排ガスが流通することにより十分に昇温され、ＰＭを処理するのに十分な温度を有している。また、排気浄化装置３０を流通し浄化された排ガスの一部はＥＧＲガスとして吸気管１０のコンプレッサ１４ａより吸気下流側に還流される。吸気管１０のコンプレッサ１４ａより吸気下流側はエンジン１が駆動中は負圧となるので自動的に排気側からＥＧＲガスを還流することとなる。

そして、ステップＳ７では、フィルタ温度センサ３８によりフィルタ温度Ｔを検知し、フィルタ温度Ｔが第１の所定温度Ｔ１よりも高いか否かを判別する。第１の所定温度Ｔ１はフィルタ３６がＰＭを処理するのに必要とする最低限の温度である。当該判別結果が偽（Ｎｏ）、即ちフィルタ３６が低温である場合にはステップＳ８に進む。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合にはステップＳ９に進む。

ステップＳ８では、図５に示すようにフィルタ３６を昇温させるために走行用バッテリ６４からインバータ６２を介してフィルタ３６へ電力を供給し、フィルタ３６自体への通電による発熱により昇温させ、当該ルーチンを抜ける。
ステップＳ９では、上記ステップＳ７において検出したフィルタ温度Ｔが第２の所定温度Ｔ２よりも高いか否かを判別する。第２の所定温度Ｔ２はＴ１より高く（Ｔ１＜Ｔ２）フィルタ３６がＰＭの処理するのに十分な温度である。判別結果が偽（Ｎｏ）である場合には当該ルーチンを抜け、一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）、即ちフィルタ３６の温度が十分高温な状態にある場合にはステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０では、図６に示すように、走行用バッテリ６４からインバータ６２を介して発電機６０に電力を供給し発電機６０を駆動させ、発電機６０と連結されているエンジン１のクランクシャフトを極低回転で回転させて当該ルーチンを抜ける。クランクシャフトが極低回転で回転することにより気筒４内に空気が吸気され、燃焼が生起されずにそのまま排気されることで空気が排気浄化装置３０内に流入していき、ＰＭを燃焼しているフィルタ３６内を空気が流通することでに空気中に含まれている酸素（Ｏ₂）がＰＭの燃焼を促進させる。

このように、本発明に係るシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置では、エンジン１に設けられる排気浄化装置３０のフィルタ３６が、エンジン１が作動しているときにはエンジン１から排出される高温の排ガスにより、エンジン１が停止しているときには走行用バッテリ６４からの電力により昇温されることで、フィルタ３６は常にＰＭを処理するのに最適な温度状態を確保することができる。また、エンジン１が停止中でありフィルタ３６が十分な温度を確保している場合にはフィルタ３６に空気を送ることでＰＭの燃焼を促進させることができる。

したがって、フィルタ３６を昇温させるための新たな装置を追加することなく発電機６０により発電した電力を走行用バッテリ６４に蓄電する際に使用しているインバータ６２を介して走行用バッテリ６４からの電力をフィルタ３６へと供給していることから余計なコストをかけることもない。
また、フィルタに通電性を有するＳｉＣを用いることで特別に昇温装置を設ける必要なく直接電力を供給するという簡単な構成で昇温させることができる。

さらに、エンジン１がターボ過給機を備えていても、エンジン１の一定運転によりＥＧＲバルブ等を必要としない簡素な構造で、効率よく大量のＥＧＲガスを還流させることができＮＯｘを低減することができ、圧力損失の低減による内燃機関の燃費も改善も図ることができる。
したがって、以上のことからシリーズ式ハイブリット車両において、コストの増加を抑えつつ、効率よく確実に排ガスの浄化を行うことができる。

以上で本発明に係るシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、フィルタ３６は、通電性のあるＳｉＣ（シリコン・カーボン、炭化珪素）製セラミックスをハニカム状に組み立てたＳｉＣフィルタとしているが、これに限られるものではなく、コーディライト製セラミックスをハニカム状に組み立てたコーディライトフィルタとしてもよい。ただし、コーディライトフィルタには通電性がないため、このような場合には例えばフィルタの周囲に電熱線を巻いたヒータを設け、当該ヒータに走行用バッテリから電力を供給することによりフィルタを昇温させる。

また、上記実施形態ではエンジン１はディーゼルエンジンとしているが、ガソリンエンジンとしてもよい。ただし、エンジンをガソリンエンジンとした場合は排気浄化装置を三元触媒にすることが望ましい。三元触媒とした場合であってもインバータにより電力を供給することにより三元触媒を昇温させることで触媒の早期活性化を図ることができる。

本発明に係るシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置の概略構成図である。 エンジンＥＣＵ及びＨＥＶＥＣＵにより実行されるインバータの制御ルーチンを示すフローチャートである。 図２のステップＳ３におけるシリーズ式ハイブリット車両内の入出力関係図である。 図２のステップＳ６におけるシリーズ式ハイブリット車両内の入出力関係図である。 図２のステップＳ８におけるシリーズ式ハイブリット車両内の入出力関係図である。 図２のステップＳ１０におけるシリーズ式ハイブリット車両内の入出力関係図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
１４ ターボ過給機
１４ａ コンプレッサ
１４ｂ タービン
３０ 排気浄化装置（排気浄化手段）
３６ フィルタ（パティキュレートフィルタ）
４０ ＥＧＲ通路
４２ ＥＧＲクーラ
５０ エンジンＥＣＵ
６０ 発電機
６２ インバータ
６４ 走行用バッテリ
６８ モータ
８０ ＨＥＶＥＣＵ

Claims (4)

1. 内燃機関により駆動される発電機と、該発電機の出力によってインバータを介して充電される走行用のバッテリと、該バッテリから前記インバータを介して電力が供給されるモータとを備えたシリーズ式ハイブリッド車両において、
   前記内燃機関の排気経路に設けられ、前段に酸化触媒が配設され、後段に排気中のパティキュレート・マターを捕集するフィルタが配設されて構成された排気浄化手段と、
   前記内燃機関の停止時に、前記バッテリから前記インバータを介して電力が供給されることにより前記排気浄化手段の温度を上げる昇温手段とを備え、
   前記内燃機関の停止時であり、前記フィルタが所定温度以上であるときに、
   前記バッテリから前記インバータを介し前記発電機に電力を供給し、該発電機により前記内燃機関を回転作動させ、捕集されたパティキュレート・マターを燃焼するための空気をフィルタに供給することを特徴とするシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置。
2. 前記フィルタはＳｉＣ製フィルタであり、
   前記昇温手段は電力を直接前記ＳｉＣに通電させることによりフィルタ自体を発熱させ昇温させることであることを特徴とする請求項１記載のシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置。
3. 前記フィルタはコーディライト製フィルタであり、
   前記昇温手段は前記フィルタの周囲に設けられ電力が供給されることで発熱するヒータであることを特徴とする請求項１記載のシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置。
4. 前記内燃機関は、排気経路に配設されたタービンと吸気経路に配設されたコンプレッサとから構成されるターボ過給機と、
   前記コンプレッサの吸気上流側と前記排気浄化装置の排気下流側とを接続したＥＧＲ通路とを備え、
   前記内燃機関が一定の運転状態で運転されるとともに、前記ＥＧＲ通路を通るＥＧＲガスの還流量が前記内燃機関の運転状態により自動的に調節されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のシリーズ式ハイブリット車両の排気浄化装置。

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