JP4086005B2 - ディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法 - Google Patents

ディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法 Download PDF

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Description

この発明は、ディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法に関し、更に詳しくは、未燃焼ガスの排出を抑制することができるとともに、早期に暖機することができるディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法に関する。
近年、地球環境の保全や省資源の観点から、ディーゼルエンジンやこれを搭載したディーゼルハイブリッド車両が種々提供されている。たとえば、排気ターボ過給機を備えた低圧縮比かつ高過給のディーゼルエンジンが提案されており(たとえば、特許文献1参照)、また、ディーゼルエンジンをできるだけ効率の高い運転領域で運転制御するディーゼルハイブリッド車両が提案されている(たとえば、特許文献2参照)。
なお、関連する技術として、可変容量ターボチャージャの制御装置であって、冷間時には温間時に比べて可変ノズルの絞り量を大きくし、加速性と暖機性を向上させる技術が提案されている(たとえば、特許文献3参照)。また、冷間時に過給機を作動させて、吸気の圧縮による加熱を行う機械式過給機の過給制御装置であって、冷間過給時に吸気をインタクーラバイパス通路側に切り替える技術が提案されている(たとえば、特許文献4参照)。
特開昭63−45415号公報 特開2003−65099号公報 特開平10−77856号公報 特開平5−26049号公報
しかしながら、上記従来技術にあっては、ディーゼルエンジンの低圧縮化が進むにつれ、燃焼温度の低温化も助長され、未燃焼ガスである炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)等の排出量増大が問題となってきている。
特に、冷間始動時は、燃焼室壁面や排気マニホルドその他の周辺各部の温度が低く、暖機完了後と同等の制御をしていると、当該壁面近傍だけが過度に冷やされ、未燃焼ガスが増大してしまうという課題があった。
このような現象の発生は、圧縮比17を下回る低圧縮比ディーゼルエンジンにおいて顕著であった。したがって、このような低圧縮比ディーゼルエンジンを備えたハイブリッド車両において、エンジン出力により発電量を増大させてエンジン負荷を高める制御をするだけでは、排出される未燃焼ガス量が増加するとともに、エンジン暖機が完了するまで多くの時間がかかってしまっていた。
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、未燃焼ガスの排出を抑制することができるとともに、早期に暖機することができるディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明に係るディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法は、低圧縮比ディーゼルエンジンまたはバッテリ電力によるモータのいずれか一方または双方によって車輪駆動軸を駆動可能に構成されたディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法において、前記ディーゼルハイブリッド車両は、前記エンジン出力によって発電し前記バッテリを充電する充電手段と、前記エンジンの暖機状態を判定する暖機判定手段と、可変ノズルの開度変更によって排気ガスの流速を調整し当該排気ガス圧力を利用して吸気量を増大させる可変ノズルターボチャージャと、前記可変ノズルの開度を制御する可変ノズル制御手段とを更に備え、前記暖機判定手段により前記エンジンが冷間時であると判断された場合には、前記可変ノズル制御手段により前記可変ノズルの開度を暖機後の同等燃料噴射量時に比べて閉じ側に制御する一方、前記充電手段による発電量を増大させ前記エンジン出力を増大させることを特徴とするものである。
また、この発明に係るディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法は、請求項1に記載の発明において、前記ディーゼルハイブリッド車両は、前記可変ノズルターボチャージャの過給圧を検出または推定する過給圧検出手段を更に備え、前記暖機判定手段により前記エンジンが冷間時であると判断された場合には、エンジン冷却水温と燃料噴射量とエンジン回転数とから算出される水温補正過給圧を暖機後の目標過給圧に加算することにより冷間時目標過給圧を算出し、前記過給圧検出手段により得られた実過給圧が前記冷間時目標過給圧よりも小さい時に前記可変ノズルの開度を閉じ側に制御することを特徴とするものである。
この発明に係るディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法によれば、冷間時(コールドスタート時)には、低圧縮比ディーゼルエンジンでは、可変ノズルの開度が閉じ側に制御されることで、過給圧が上昇して燃焼室内温度が高められる。この結果、未燃焼ガスである炭化水素(HC)等の排出を抑制することができ、エミッションの改善が図られる。また、同時に充電手段により発電量が増大され、エンジン出力が増大されるので、上記ノズル開度の閉じ側制御による燃焼室内温度上昇と相まって、燃焼ガス温度を更に上昇させることができ、早期暖機が図られる。
また、この発明に係るディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法によれば、冷間時における目標過給圧を、その冷間状態に応じて暖機完了後の目標過給圧よりも大きく設定することができるので、冷間時の燃焼室壁面等に触れるガス温度を上昇させ、未燃焼ガスである炭化水素(HC)等の排出を抑制することができ、エミッションの改善を図ることができる。
以下に、この発明に係るディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
先ず、ディーゼルハイブリッド車両の概略構成について図2および図3に基づいて説明する。ここで、図2は、ディーゼルハイブリッド車両の概略構成を示す模式図、図3は、可変ノズルターボチャージャを備えたディーゼルエンジンを示す模式図である。
図2に示すように、ディーゼルハイブリッド車両10には、走行駆動源としての低圧縮比ディーゼルエンジン11が設けられている。この圧縮比は、たとえば17以下の値である。このディーゼルエンジン11は、図3に示すように、燃料噴射量を制御するコモンレール方式の燃料噴射システム11aを備えるとともに、図示しないバルブの開閉動作タイミングを可変制御する可変バルブタイミング機構を備えている。
また、このディーゼルエンジン11は、図示を省略するが、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサや、後述する可変ノズルターボチャージャ26による実過給圧を検出する過給圧センサ(過給圧検出手段)、エンジン回転数を検出する回転数センサ等を備えている。なお、上記実過給圧は、センサ手段により直接検出するほか、予め実験等により作成されたマップ等により推定してもよい。
また、図3に示すように、ディーゼルエンジン11は、排気マニホルド30aから排出された排気ガス圧力を利用してタービン26bを回転させることで同軸のコンプレッサ26aを駆動し、吸気量を増大させる可変ノズルターボチャージャ26を備えている。また、吸気通路21には、吸入空気量を検出するエアフロメータ22と、コンプレッサ26aを経て昇温した吸気を冷却するインタークーラ28と、吸入空気量を調節するスロットル弁24とを備えている。
上記可変ノズルターボチャージャ26は、公知手段により構成されている。すなわち、この可変ノズルターボチャージャ26は、内部構造の図示を省略するが、タービン26bの外周を囲うように当該タービン26bの回転方向に沿って排気ガス通路が形成されており、この排気ガス通路には、タービン26bに吹き付けられる排気ガスの流速を可変とするための可変ノズルが設けられている。
この可変ノズルは、複数のノズルベーンと、これらのノズルベーンを開閉するためのアクチュエータとを備えている。各ノズルベーンは、タービン26bの軸線を中心として等角度毎に配置され、互いに同期した状態でアクチュエータによって開閉されるようになっている。なお、このアクチュエータは、パルスモータ等により構成されており、後述するECUによって制御される。
そして、タービン26bに吹き付けられる排気ガスの流速は、各ノズルベーンを同期して開閉させ、隣り合うノズルベーン間の隙間の大きさを変化させることによって調整される。このような排気ガスの流速調整を行うことにより、タービン26bの回転速度が調整され、ひいては燃焼室に強制的に送り込まれる空気量が調整されるようになっている。
また、図3に示すように、ディーゼルエンジン11の排気通路30には、排気ガス中の粒子状物質および窒素酸化物(NOx)を浄化するために、吸蔵還元型NOx触媒を担持したパティキュレートフィルタ33が設けられている。
また、ディーゼルエンジン11は、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス再循環装置(以下、EGR装置と称する)35を備えている。EGR装置35のEGR通路36には、EGR触媒39、EGRクーラ37、EGR弁38が設けられている。
すなわち、これらのEGR触媒39、EGRクーラ37およびEGR弁38を経たEGRガスは、可変ノズルターボチャージャ26のコンプレッサ26aにより圧縮されインタクーラ28を経た新気とともに、吸気マニホルド21aから燃焼室へと供給されるようになっている。
ディーゼルエンジン11で発生する駆動力は、自動変速可能な有段変速機(以下、MMT(マルチモードマニュアルトランスミッション)と記す)12、ドライブシャフト(車輪駆動軸)14およびディファレンシャルギヤ15を介して駆動輪13に伝達されるようになっている。このMMT12は、走行状態に応じてギヤ段の変速操作をアクチュエータで電気的に自動制御するものである。
ディーゼルエンジン11とMMT12間には、動力伝達の接離を行うクラッチ12aが備えられており、走行状態に応じて接離操作をアクチュエータで電気的に自動制御されるようになっている。
また、ディーゼルエンジン11は、このMMT12から指令される要求エンジントルクを出力するために、その燃料噴射量や吸入空気量等を制御されるように構成されている。ディーゼルエンジン11の要求燃料噴射量は、たとえば、エンジンの回転数およびアクセル開度からマップ等に基づいて決定され、燃料噴射が実行されるようになっている。
また、駆動系歯車装置(ギヤトレーン)を一体化したモータジェネレータ(充電手段)17は、インバータ19を介し、充放電可能な二次電池であるバッテリ20と接続され、走行駆動源であるモータとして機能する力行運転モードと、発電機として機能する回生運転モードとの2つの運転状態をとり得るように構成されている。
たとえば、このモータジェネレータ17は、力行運転モードではバッテリ20からの電力供給を受けて、ドライブシャフト14を駆動するための動力を発生する。また、回生運転モードでは、モータジェネレータ17は、ディーゼルエンジン11あるいはドライブシャフト14から伝達される駆動力を電力に変換し、バッテリ20を充電する。なお、ディーゼルハイブリッド車両10は、エンジン出力によって発電しバッテリ20を充電する充電手段として、オルタネータ(図示せず)を備えている。
モータジェネレータ17が力行運転モードあるいは回生運転モードのいずれかで運転されるかは、バッテリ20の充電量SOC(State of Charge)を勘案して決定される。
以上のように構成されたディーゼルハイブリッド車両10は、図示しない電子制御ユニット(以下、ECUと称する)によって、各種センサからの出力情報に基づいて以下のように基本制御され、種々の状態で走行することができる。
また、このECUは、上記水温センサの検出値からディーゼルエンジン11の暖機状態を判定する暖機判定手段や、可変ノズルターボチャージャ26のノズル開度を制御する可変ノズル制御手段としても機能するものである。
ディーゼルハイブリッド車両10が走行を始めた比較的低速な状態では、ディーゼルエンジン11を停止したまま、モータジェネレータ17を力行することにより走行(EV走行)する。そして、走行開始後にディーゼルハイブリッド車両10が所定の速度もしくは負荷に達すると、モータジェネレータ17を用いてディーゼルエンジン11をクランキングして始動し、当該ディーゼルエンジン11を用いた運転に移行する。
また、定常運転時には、通常は、ディーゼルエンジン11がドライブシャフト14の要求動力とほぼ等しい出力を発生するように運転される。このとき、ディーゼルエンジン11の出力のほぼすべてがドライブシャフト14に伝えられる。
一方、バッテリ20の充電量SOCが予め定められた基準値以下に低下している場合には、ディーゼルエンジン11がドライブシャフト14の要求動力以上の出力で運転され、その余剰動力の一部はモータジェネレータ17によって電力として回生され、バッテリ20の充電に利用される。
そして、ディーゼルエンジン11の出力トルクが不足する場合には、バッテリ20の充電量SOCに応じてモータジェネレータ17によって不足分のトルクがアシストされ、必要トルクが確保される。
なお、上記ディーゼルハイブリッド車両10は、燃料の節約と排気エミッションの低減を図るために、いわゆるエコラン(エコノミー&エコロジーランニング)制御もなされる。たとえば、交差点における信号待ち等でディーゼルハイブリッド車両10が停車した場合に、所定の停止条件下でディーゼルエンジン11を自動停止させ、その後、所定の再始動条件下(たとえば、アクセルペダルを踏み込んだとき)でディーゼルエンジン11を再始動させる制御もなされる。
以上が本発明に係るディーゼルハイブリッド車両10の基本構成および基本制御動作である。
つぎに、本発明の要部であるディーゼルハイブリッド車両10における低圧縮比エンジンの暖機制御方法について図1に基づいて図2および図3を参照しつつ説明する。ここで、図1は、この発明の実施例1に係るディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法を示すフローチャートである。以下の制御は、上記ECUによって実行されるものである。
先ず、ディーゼルエンジン11の暖機状態を判定するために、上記水温センサにより検出されたエンジン冷却水温を読み込み(ステップS10)、このエンジン冷却水温が所定値(たとえば、60℃)未満であるか否かを判断する(ステップS11)。そして、冷間時であると判断された場合には、暖機制御を行うべくステップS12に移行し(ステップS11肯定)、冷間時でないと判断された場合には、暖機完了後の通常のベースマップに基づいて制御される(ステップS11否定)。
上述したように、従来技術に係る可変ノズルターボチャージャを備えたディーゼルエンジンでは、その目標過給圧は、暖機完了前と完了後とで同一の目標値に設定されており、燃焼室壁面や排気マニホルドその他の周辺各部近傍が過度に冷やされ、炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)が多量に生成されている点が考慮されていなかった。
そこで、本実施例では、冷間時(暖機完了前)の上記燃焼室壁面等に触れるガス温度を上昇させ、暖機完了後のガス温度と同程度となるように、冷間時の目標過給圧を以下の手順にて設定する。
すなわち、上記ステップS10で読み込んだエンジン冷却水温と、ドライバ要求出力に基づいて算出された燃料噴射量と、回転数センサにより検出されたエンジン回転数に基づいて、所定の冷却水温(たとえば、0℃〜80℃の範囲で数℃毎)毎に予め実験的に定められた図4に示すような過給圧マップを用いることにより、冷却水温に応じて冷間時の目標過給圧を補正するための水温補正過給圧を算出する(ステップS12)。ここで、図4は、所定の冷却水温における過給圧を示すマップである。
つぎに、上記ステップS12で算出した水温補正過給圧を、暖機完了後の目標過給圧に加算することにより冷間時目標過給圧を算出する(ステップS13)。そして、上記過給圧センサにより検出された可変ノズルターボチャージャ26による実過給圧が、ステップS13で算出された冷間時目標過給圧よりも小さいか否かを判断する(ステップS14)。
実過給圧が冷間時目標過給圧よりも小さいならば(ステップS14肯定)、可変ノズルターボチャージャ26のノズル開度(図1中ではVNT開度と略記してある)を、暖機完了後の同等燃料噴射量時に比べて閉じ側に修正して過給圧を増大し、実過給圧がこの冷間時目標過給圧となるように制御する(ステップS15)。これにより、燃焼室内温度等が高められ、未燃焼ガスの排出を抑制することができ、エミッションの改善が図られる。
そして、更にモータジェネレータ17による発電量を増大させ、ディーゼルエンジン11の出力を増大させる(ステップS16)。これにより、上記ステップS15におけるノズル開度の閉じ側制御による燃焼室内温度上昇と相まって、燃焼ガス温度を更に上昇させることができ、早期暖機が図られる。
一方、実過給圧が冷間時目標過給圧を超えるならば(ステップS14否定)、可変ノズルターボチャージャ26のノズル開度を開側に修正して過給圧を減少させ、実過給圧がこの冷間時目標過給圧となるように制御する(ステップS17)。
以上のように、この実施例1に係るディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法によれば、未燃焼ガスの排出を抑制することができるとともに、早期に暖機することができる。
なお、上記実施例1においては、パラレル式のディーゼルハイブリッド車両10について本発明を適用して説明したが、これに限定されず、シリーズ式のハイブリッド車両に適用してもよい。
また、MMT12を備えたハイブリッド車両について本発明を適用して説明したが、これに限定されず、自動変速機(AT)や手動変速機(MT)を備えたハイブリッド車両に適用してもよい。
図5は、この発明の実施例2に係るインタクーラをバイパスする手段を備えたディーゼルエンジンを示す模式図である。なお、以下の説明において、すでに説明した部材と同一もしくは相当する部材には、同一の符号を付して重複説明を省略する。
図5に示すように、本実施例2に係るディーゼルエンジン11は、上記実施例1に係るディーゼルエンジン11の構成(図3参照)において、吸気通路21におけるインタクーラ28の上流側と下流側とをバイパスするためにインタクーラバイパス通路40および三方弁41とを更に備えたものである。
この三方弁41は、コンプレッサ26aを経た新気の流れを、必要時にインタクーラ28を通さずにインタクーラバイパス通路40側に変更できるように上記ECUによって制御するものである。
このように構成されたディーゼルハイブリッド車両10の暖機制御は、上記実施例1の図1で示した制御方法において、冷間時であって上記燃焼室壁面等の温度が低い時に、上記可変ノズルターボチャージャ26の制御に加え、更に三方弁41を制御してコンプレッサ26aを経た新気の流れをインタクーラバイパス通路40側に変更する。
すなわち、このインタクーラバイパス制御は、図1におけるステップS15においてノズル開度の閉弁側修正制御とともに実行することができる。また、この制御により、実過給圧が冷間時目標過給圧に達したならば、ステップS17において上記バイパス制御を解除してもよい。
以上のように、この実施例2に係るディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法によれば、冷間時に吸気をインタクーラ28に通さないように制御することで、吸気マニホルド21aに流入するガス温度、更には燃焼室内に流入するガス温度を上昇させることができ、圧縮上死点ならびに燃焼過程において高温高圧に制御することができるので、未燃焼ガスの発生を抑制することができる。
図6は、この発明の実施例3に係るEGRクーラをバイパスする手段を備えたディーゼルエンジンを示す模式図である。図6に示すように、本実施例3に係るディーゼルエンジン11は、上記実施例2に係るディーゼルエンジン11の構成(図5参照)において、EGR通路36におけるEGRクーラ37の上流側と下流側とをバイパスするためにEGRクーラバイパス通路50および三方弁51とを更に備えたものである。
この三方弁51は、EGR触媒39を経たEGRガスの流れを、必要時にEGRクーラ37を通さずにEGRクーラバイパス通路50側に変更できるように上記ECUによって制御するものである。
このように構成されたディーゼルハイブリッド車両10の暖機制御は、上記実施例1の図1で示した制御方法において、冷間時であって上記燃焼室壁面等の温度が低い時に、上記可変ノズルターボチャージャ26の制御に加え、更に三方弁51を制御してEGR触媒39を経たEGRガスの流れを、必要時にEGRクーラ37を通さずにEGRクーラバイパス通路50側に変更する。
すなわち、このEGRクーラバイパス制御は、図1におけるステップS15においてノズル開度の閉弁側修正制御とともに実行することができる。また、この制御により、実過給圧が冷間時目標過給圧に達したならば、ステップS17において上記バイパス制御を解除してもよい。
以上のように、この実施例3に係るディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法によれば、冷間時にEGRガスをEGRクーラ37に通さないように制御することで、吸気マニホルド21aに流入するガス温度、更には燃焼室内に流入するガス温度を上昇させることができ、圧縮上死点ならびに燃焼過程において高温高圧に制御することができるので、未燃焼ガスの発生を抑制することができる。
本実施例4に係るディーゼルエンジン11は、上記実施例1に係るディーゼルエンジン11の構成(図5参照)と同様であるので重複説明を省略する。そして、本実施例3に係る暖機制御は、上記実施例1の図1で示した制御方法において、冷間時であって上記燃焼室壁面等の温度が低い時に、排気バルブを吸気行程中に開くことにより、一旦燃焼室より排気マニホルド30aに排出された高温の排気ガスが、吸気行程中に再度燃焼室内に取り入れられるようにし、内部EGRを促進するようにしたものである。
すなわち、この内部EGR促進のための制御は、図1におけるステップS15においてノズル開度の閉弁側修正制御とともに実行することができる。また、この制御により、実過給圧が冷間時目標過給圧に達したならば、ステップS17においてこの内部EGR促進制御を解除してもよい。
以上のように、この実施例4に係るディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法によれば、冷間時に、一旦燃焼室より排気マニホルド30aに排出された高温の排気ガスが吸気行程中に再度燃焼室内に取り入れられるように制御することで、圧縮上死点ならびに燃焼過程において高温高圧に制御することができるので、未燃焼ガスの発生を抑制することができる。
以上のように、この発明に係るディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法は、未燃焼ガスの排出を抑制するとともに早期暖機を目指すディーゼルハイブリッド車両に有用であり、特に、圧縮比17以下の低圧縮比ディーゼルエンジンを備えたハイブリッド車両に適している。
この発明の実施例1に係るディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法を示すフローチャートである。 ディーゼルハイブリッド車両の概略構成を示す模式図である。 可変ノズルターボチャージャを備えたディーゼルエンジンを示す模式図である。 この発明の実施例2に係るディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法を示すフローチャートである。 この発明の実施例3に係るディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法を示すフローチャートである。 この発明の実施例3に係るEGRクーラをバイパスする手段を備えたディーゼルエンジンを示す模式図である。
符号の説明
10 ディーゼルハイブリッド車両
11 ディーゼルエンジン
14 ドライブシャフト(車輪駆動軸)
17 モータジェネレータ(充電手段)
20 バッテリ
26 可変ノズルターボチャージャ

Claims (1)

  1. 低圧縮比ディーゼルエンジンまたはバッテリ電力によるモータのいずれか一方または双方によって車輪駆動軸を駆動可能に構成されたディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法において、
    前記ディーゼルハイブリッド車両は、
    前記エンジン出力によって発電し前記バッテリを充電する充電手段と、
    前記エンジンの暖機状態を判定する暖機判定手段と、
    可変ノズルの開度変更によって排気ガスの流速を調整し当該排気ガス圧力を利用して吸気量を増大させる可変ノズルターボチャージャと、
    前記可変ノズルの開度を制御する可変ノズル制御手段と、
    前記可変ノズルターボチャージャの過給圧を検出または推定する過給圧検出手段と、
    を更に備え、
    前記暖機判定手段により前記エンジンが冷間時であると判断された場合には、
    エンジン冷却水温と燃料噴射量とエンジン回転数とから算出される水温補正過給圧を暖機後の目標過給圧に加算することにより冷間時目標過給圧を算出し、
    前記過給圧検出手段により得られた実過給圧が前記冷間時目標過給圧よりも小さい時に、前記可変ノズル制御手段により前記可変ノズルの開度を暖機後の同等燃料噴射量時に比べて閉じ側に制御する一方、
    前記充電手段による発電量を増大させ前記エンジン出力を増大させることを特徴とするディーゼルハイブリッド車両における低圧縮比エンジンの暖機制御方法。
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