上述したハイブリッド車では、内燃機関の始動時の圧縮行程中に発生する振動を低減することができるものの、燃料カットの状態でモータリングする時間が長くなると内燃機関のうち本来燃料で濡れているべき部分が乾いてしまうことがある。このような場合には、内燃機関に噴射された燃料の一部が乾いた部分に付着するため、初爆時の燃料が不足して燃焼が不安定になるおそれがある。
本発明の動力出力装置及びその制御方法並びに自動車は、内燃機関の始動時の振動を低減させると共に初爆時の燃焼安定性も確保することを目的とする。
本発明の動力出力装置及びその制御方法並び自動車は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明の動力出力装置は、
駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、
前記駆動軸に動力を出力可能な内燃機関と、
該内燃機関の出力軸に連結され、前記駆動軸へのトルクの入出力を伴って前記内燃機関をモータリング可能なモータリング手段と、
前記内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記内燃機関へ繋がる吸気管の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記吸気管へ吸入する空気量を調節可能な空気量調節手段と、
前記内燃機関へ燃料を噴射可能な燃料噴射手段と、
前記内燃機関の始動指示がなされたとき、前記回転数検出手段により検出される回転数が所定の始動開始回転数に達し且つ前記圧力検出手段により検出される圧力が所定の負圧に達するまで前記内燃機関へ吸入する空気量を絞った状態で該内燃機関をモータリングするよう前記空気量調節手段及び前記モータリング手段を制御し、その後前記モータリングに要した時間に基づいて始動時燃料噴射量の増量値を設定し該増量値を加味した始動時燃料噴射量の燃料が前記内燃機関へ噴射されるよう前記燃料噴射手段を制御する始動時制御手段と、
を備えることを要旨とする。
この動力出力装置では、内燃機関の始動指示がなされたとき、内燃機関の回転数が所定の始動開始回転数に達し且つ内燃機関へ繋がる吸気管の圧力が所定の負圧に達するまで内燃機関へ吸入する空気量を絞った状態で該内燃機関をモータリングし、その後モータリングに要した時間に基づいて始動時燃料噴射量の増量値を設定し該設定した増量値を加味した始動時燃料噴射量の燃料を内燃機関へ噴射する。吸気管の圧力が所定の負圧に達するまで内燃機関へ吸入する空気量を絞った状態で該内燃機関をモータリングするため、内燃機関の圧縮行程での圧縮力が小さくなり始動時の振動が低減する。一方、モータリング時には燃料カットの状態で内燃機関を空気が流通することから、モータリングに要した時間が長くなると内燃機関のうち本来燃料で濡れているべき内壁等が乾いてくるが、その乾いた部分へ燃料が付着することにより燃焼に供される燃料が不足することのないよう、モータリングに要した時間に基づいて始動時燃料噴射量の増量値を設定するため、初爆時も安定して燃焼する。このように、内燃機関の始動時の振動を低減させると共に初爆時の燃焼安定性も確保することができる。
なお、本発明の動力出力装置は、駆動軸へ動力を入出力可能な電動機を備えていてもよく、その場合、始動時制御手段は内燃機関をモータリングするにあたってモータリング手段及び電動機を制御するようにしてもよい。
本発明の動力出力装置は、前記内燃機関の下流側に設けられ触媒温度が所定温度範囲内のときに排気の浄化機能を発揮する触媒浄化手段を備え、前記始動時制御手段は、前記内燃機関の始動指示がなされたとき、前記触媒温度が所定温度範囲に達していない場合には、前記回転数検出手段により検出される回転数が所定の始動開始回転数に達するまで前記内燃機関をモータリングするよう前記モータリング手段を制御した後、前記圧力検出手段によって検出される圧力にかかわらず、前記増量値として所定の通常始動時増量値を設定し該増量値を加味した始動時燃料噴射量の燃料が前記内燃機関へ噴射されるよう前記燃料噴射手段を制御してもよい。こうすれば、触媒が排気浄化機能を発揮できない温度のときには内燃機関の始動時の振動低減よりもエミッションの悪化防止を優先することができる。
本発明の動力出力装置において、前記始動時制御手段は、前記モータリングに要した時間に基づいて前記増量値を設定するにあたり、前記モータリングに要した時間が長いほど前記増量値が増加する傾向となるように設定してもよい。モータリングに要した時間が長くなるほど乾いた部分の面積が増えるため燃焼に供される燃料の不足量が多くなる傾向にある。このため、モータリングに要した時間が長いほど増量値が増加する傾向となるように設定し、燃焼に供される燃料が不足しないようにすることが好ましい。
本発明の動力出力装置において、前記始動時制御手段は、前記モータリングに要した時間に基づいて前記増量値を設定するにあたり、前記モータリングに要した時間が所定の短時間範囲内のときには前記増量値として所定の通常始動時増量値を設定し、前記モータリングに要した時間が所定の短時間範囲を超えるときには前記増量値として前記通常始動時増量値よりも多い増量値を設定してもよい。モータリングに要した時間が所定の短時間範囲内のときには、内燃機関の内壁等に乾いた部分がほとんど現れないことから、増量値として通常始動時増量値を設定すれば初爆時の燃焼が十分安定する。一方、モータリングに要した時間が短時間範囲を超えると、内燃機関の内壁等に乾いた部分が現れることから、増量値として通常始動時増量値よりも多い増量値を設定する。なお、モータリングに要した時間が所定の短時間範囲を超えるときには、モータリングに要した時間が長くなるほど乾いた部分の面積が増えて燃焼に供される燃料の不足量が多くなる傾向にあるため、増量値が増加する傾向となるように設定することが好ましい。
本発明の動力出力装置において、前記モータリング手段は、前記内燃機関の出力軸と前記駆動軸と第3の軸との3軸に接続され該3軸のうちいずれか2軸に入出力した動力に基づいて残余の軸に動力を入出力する3軸式動力入出力手段を前記ギヤ機構とし、前記第3の軸に動力を入出力する発電機として構成されていてもよいし、あるいは、前記内燃機関の出力軸に取り付けられた第1の回転子と前記駆動軸に取り付けられた第2の回転子とを有し該第1の回転子と該第2の回転子との電磁作用による電力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する対回転子電動機として構成されていてもよい。
本発明の自動車は、上述のいずれかの態様の本発明の動力出力装置、即ち、基本的には、駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、前記駆動軸に動力を出力可能な内燃機関と、該内燃機関の出力軸に連結され、前記駆動軸へのトルクの入出力を伴って前記内燃機関をモータリング可能なモータリング手段と、前記内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段と、前記内燃機関へ繋がる吸気管の圧力を検出する圧力検出手段と、前記吸気管へ吸入する空気量を調節可能な空気量調節手段と、前記内燃機関へ燃料を噴射可能な燃料噴射手段と、前記内燃機関の始動指示がなされたとき、前記回転数検出手段により検出される回転数が所定の始動開始回転数に達し且つ前記圧力検出手段により検出される圧力が所定の負圧に達するまで前記内燃機関へ吸入する空気量を絞った状態で該内燃機関をモータリングするよう前記空気量調節手段及び前記モータリング手段を制御し、その後前記モータリングに要した時間に基づいて始動時燃料噴射量の増量値を設定し該増量値を加味した始動時燃料噴射量の燃料が前記内燃機関へ噴射されるよう前記燃料噴射手段を制御する始動時制御手段と、を備える動力出力装置を搭載し、車軸が前記駆動軸に接続されてなることを要旨とする。
本発明の自動車では、本発明の動力出力装置を搭載するから、本発明の動力出力装置が奏する効果、例えば、内燃機関の始動時の振動を低減させると共に初爆時の燃焼安定性も確保することができる効果などと同様の効果を奏することができる。
本発明の動力出力装置の制御方法は、
駆動軸に動力を出力可能な内燃機関と、該内燃機関の出力軸に連結され、前記駆動軸へのトルクの入出力を伴って前記内燃機関をモータリング可能なモータリング手段と、前記内燃機関に繋がる吸気管へ吸入する空気量を調節可能な空気量調節手段と、前記内燃機関へ燃料を噴射可能な燃料噴射手段と、を備えた動力出力装置の制御方法であって、
(a)前記内燃機関の始動指示がなされたとき、前記内燃機関の回転数が所定の始動開始回転数に達し且つ前記吸気管の圧力が所定の負圧に達するまで前記内燃機関へ吸入する空気量を絞った状態で該内燃機関をモータリングするよう前記空気量調節手段及び前記モータリング手段を制御するステップと、
(b)前記ステップ(a)のあと前記モータリングに要した時間に基づいて始動時燃料噴射量の増量値を設定し該増量値を加味した始動時燃料噴射量の燃料が前記内燃機関へ噴射されるよう前記燃料噴射手段を制御するステップと、
を含むことを要旨とする。
この動力出力装置の制御方法では、内燃機関の始動指示がなされたとき、内燃機関の回転数が所定の始動開始回転数に達し且つ内燃機関へ繋がる吸気管の圧力が所定の負圧に達するまで内燃機関へ吸入する空気量を絞った状態で該内燃機関をモータリングし、その後モータリングに要した時間に基づいて始動時燃料噴射量の増量値を設定し該設定した増量値を加味した始動時燃料噴射量の燃料を内燃機関へ噴射する。吸気管の圧力が所定の負圧に達するまで内燃機関へ吸入する空気量を絞った状態で該内燃機関をモータリングするため、内燃機関の圧縮行程での圧縮力が小さくなり始動時の振動が低減する。一方、モータリング時には燃料カットの状態で内燃機関を空気が流通することから、モータリングに要した時間が長くなると内燃機関のうち本来燃料で濡れているべき内壁等が乾いてくるが、その乾いた部分へ燃料が付着することにより燃焼に供される燃料が不足することのないよう、モータリングに要した時間に基づいて始動時燃料噴射量の増量値を設定するため、初爆時も安定して燃焼する。このように、内燃機関の始動時の振動を低減させると共に初爆時の燃焼安定性も確保することができる。なお、この動力出力装置の制御方法において、上述のいずれかの態様の本発明の動力出力装置が備える各種機能を実現するためのステップを加えてもよい。
図1は、本発明の一実施例である動力出力装置を搭載したハイブリッド自動車20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、エンジン22の出力軸としてのクランクシャフト26にダンパ28を介してピニオンギヤ33を回転させるキャリア34が接続されたプラネタリギヤ30と、プラネタリギヤ30のサンギヤ31に接続された発電可能なモータMG1と、プラネタリギヤ30のリングギヤ32に接続された駆動軸としてのリングギヤ軸32aに減速ギヤ35を介して接続されたモータMG2と、ハイブリッド自動車20全体をコントロールするハイブリッド用電子制御ユニット70とを備える。なお、駆動軸としてのリングギヤ軸32aはギヤ機構60とデファレンシャルギヤ62とを介して駆動輪63a,63bが取り付けられた車軸64に接続されており、リングギヤ軸32aに出力された動力は走行用の動力として用いられる。
エンジン22は、例えばガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料により動力を出力可能な内燃機関として構成されており、図2に示すように、エアクリーナ122により清浄された空気をスロットルバルブ124を介して吸気管160へ吸入する共に燃料噴射弁126からガソリンを噴射して吸入された空気とガソリンとを混合し、この混合気を吸気バルブ128を介して燃料室に吸入し、点火プラグ130による電気火花によって爆発燃焼させて、そのエネルギにより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。エンジン22への吸気は、吸気管160の途中に設けられ吸気脈動を抑制するのに十分な容積を持つサージタンク162を介して行なわれる。また、エンジン22からの排気は、一酸化炭素(CO)や炭化水素(HC),窒素酸化物(NOx)の有害成分を浄化する浄化装置(三元触媒)134を介して外気へ排出される。
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により制御されている。エンジンECU24は、CPU24a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、CPU24aの他に処理プログラムを記憶するROM24bと、データを一時的に記憶するRAM24cと、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。エンジンECU24には、エンジン22の状態を検出する種々のセンサからの信号、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,燃焼室166へ吸排気を行なう吸気バルブ128や排気バルブ129を開閉するカムシャフトの回転位置を検出するカムポジションセンサ144からのカムポジション,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からのスロットルポジション,浄化装置134に取り付けられた触媒床温センサ135からの触媒床温CT,吸気管160の途中に設けられたサージタンク162の内部圧力を検出する圧力センサ164からのサージタンク内圧STP,吸気管160に取り付けられたエアフローメータ148からのエアフローメータ信号AF,同じく吸気管160に取り付けられた温度センサ149からの吸気温などが入力ポートを介して入力されている。また、エンジンECU24からは、エンジン22を駆動するための種々の制御信号、例えば、燃料噴射弁126への駆動信号や、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への駆動信号、イグナイタと一体化されたイグニッションコイル138への制御信号、吸気バルブ128の開閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構150への制御信号などが出力ポートを介して出力されている。なお、エンジンECU24は、ハイブリッド用電子制御ユニット70と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット70からの制御信号によりエンジン22を運転制御すると共に必要に応じてエンジン22の運転状態に関するデータを出力する。
モータMG1およびモータMG2は、いずれも発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されており、インバータ41,42を介してバッテリ50と電力のやりとりを行なう。モータMG1,MG2は、いずれもモータ用電子制御ユニット(以下、モータECUという)40により駆動制御されている。モータECU40には、モータMG1,MG2を駆動制御するために必要な信号、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からの信号や図示しない電流センサにより検出されるモータMG1,MG2に印加される相電流などが入力されており、モータECU40からは、インバータ41,42へのスイッチング制御信号が出力されている。モータECU40は、ハイブリッド用電子制御ユニット70と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット70からの制御信号によってモータMG1,MG2を駆動制御すると共に必要に応じてモータMG1,MG2の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット70に出力する。
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には、バッテリ50を管理するのに必要な信号、例えば、バッテリ50の端子間に設置された図示しない電圧センサからの端子間電圧,バッテリ50の出力端子に接続された電力ライン54に取り付けられた図示しない電流センサからの充放電電流,バッテリ50に取り付けられた温度センサ51からの電池温度Tbなどが入力されており、バッテリ50を管理するための残容量(SOC)を計算すると共に計算した残容量(SOC)と電池温度Tbやその入出力制限Win,Wout,バッテリ50を充放電するための要求値である充放電要求パワーPb*などを計算し、必要に応じてデータを通信によりハイブリッド用電子制御ユニット70に出力する。
ハイブリッド用電子制御ユニット70は、CPU72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、CPU72の他に処理プログラムを記憶するROM74と、データを一時的に記憶するRAM76と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。ハイブリッド用電子制御ユニット70には、イグニッションスイッチ80からのイグニッション信号,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,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,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などが入力ポートを介して入力されている。ハイブリッド用電子制御ユニット70は、前述したように、エンジンECU24やモータECU40,バッテリECU52と通信ポートを介して接続されており、エンジンECU24やモータECU40,バッテリECU52と各種制御信号やデータのやりとりを行なっている。
こうして構成された実施例のハイブリッド自動車20は、運転者によるアクセルペダル83の踏み込み量に対応するアクセル開度Accと車速Vとに基づいて駆動軸としてのリングギヤ軸32aに出力すべき要求トルクを計算し、この要求トルクに対応する要求動力がリングギヤ軸32aに出力されるように、エンジン22とモータMG1とモータMG2とが運転制御される。エンジン22とモータMG1とモータMG2の運転制御としては、要求動力に見合う動力がエンジン22から出力されるようにエンジン22を運転制御すると共にエンジン22から出力される動力のすべてがプラネタリギヤ30とモータMG1とモータMG2とによってトルク変換されてリングギヤ軸32aに出力されるようモータMG1およびモータMG2を駆動制御するトルク変換運転モードや要求動力とバッテリ50の充放電に必要な電力との和に見合う動力がエンジン22から出力されるようにエンジン22を運転制御すると共にバッテリ50の充放電を伴ってエンジン22から出力される動力の全部またはその一部がプラネタリギヤ30とモータMG1とモータMG2とによるトルク変換を伴って要求動力がリングギヤ軸32aに出力されるようモータMG1およびモータMG2を駆動制御する充放電運転モード、エンジン22の運転を停止してモータMG2からの要求動力に見合う動力をリングギヤ軸32aに出力するよう運転制御するモータ運転モードなどがある。
次に、実施例のハイブリッド自動車20の動作、特にエンジン22の運転停止中にエンジン22の始動要求があったときの動作について説明する。図3はエンジン22の始動要求があったときにハイブリッド用電子制御ユニット70により実行される始動時制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。ここで、エンジン22の運転停止中にエンジン22の始動要求があったときとしては、例えばモータ運転モードで走行している際にエンジン22に要求されるエンジン要求パワーPe*が閾値Prefを超えたときや、停車状態でシステムを起動した直後であってエンジン22の暖機やバッテリ50の充電を行なう必要があるときなどが挙げられる。モータ運転モードについて以下に簡単に説明する。閾値Prefはエンジン22の始動要求の有無を判定するために用いられ、エンジン22を比較的効率よく運転することができる領域のうち下限のパワー近傍に設定されている。エンジン要求パワーPe*は、駆動軸としてのリングギヤ軸32aに出力すべき駆動軸要求パワーPr*とバッテリ50が要求する充放電要求パワーPb*(放電パワーを正、充電パワーを負とする)とロスLossとにより下記式(1)のように表されるから、バッテリ50の残容量(SOC)が比較的十分な状態でも運転者がアクセルペダル83を大きく踏み込んだときや、バッテリ50の残容量が比較的十分な状態であり且つ運転者のアクセルペダル83の踏み込みがないときでも車速Vが大きくなりリングギヤ軸32aの回転数Nrが大きくなったとき、運転者のアクセルペダル83の踏み込みがなく車速Vも小さくリングギヤ軸32aの回転数Nrも小さいときでもバッテリ50の残容量が低くなって大きな充放電要求パワーPb*(充電パワー)が設定されたときなどに、閾値Prefを超える。なお、駆動軸要求パワーPr*は、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と車速センサ88からの車速Vとに基づいて、ROM74に記憶された要求トルク設定用マップ(図4参照)からリングギヤ軸32aに要求される要求トルクTr*を導出し、この要求トルクTr*にリングギヤ軸32aの回転数Nrを乗じたものとした。リングギヤ軸32aの回転数Nrは、下記式(2)に示すように、回転位置検出センサ44により検出されるモータMG2の回転子の回転位置に基づいて計算されたモータMGの回転数Nm2を減速ギヤ35のギヤ比Grで割ることにより求めた。なお、モータ運転モードでは、エンジン22の回転数Neはゼロ、モータMG1のトルクTm1もゼロである。
Pe*=Pr*-Pb*+Loss (1)
Pr*=Tr*・Nm2/Gr (2)
さて、図3の始動時制御ルーチンが実行されると、ハイブリッド用電子制御ユニット70のCPU72は、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や車速センサ88からの車速V,エンジン22の回転数Ne,エンジン22の浄化装置134の触媒床温CT,エンジン22のサージタンク内圧STP,モータMG1,MG2の回転数Nm1,Nm2,バッテリ50の入出力制限Win,Woutなど制御に必要なデータを入力し(ステップS100)、入力したアクセル開度Accと車速Vとに基づいて図4の要求トルク設定用マップを用いて要求トルクTr*を設定する(ステップS110)。ここで、エンジン22の回転数Neはクランクシャフト26に取り付けられたクランクポジションセンサ140からの信号に基づいて計算されたものを、触媒床温CTは触媒床温センサ135から得られたものを、サージタンク内圧STPは圧力センサ164から得られたものを、それぞれエンジンECU24から通信により入力するものとした。また、モータMG1,MG2の回転数Nm1,Nm2は、回転位置検出センサ43,44により検出されるモータMG1,MG2の回転子の回転位置に基づいて計算されたものをモータECU40から通信により入力するものとした。また、バッテリ50の入出力制限Win,Woutは、バッテリ50の残容量(SOC)に基づいて設定されたものをバッテリECU52から通信により入力するものとした。
続いて、エンジン22の回転数Neや始動開始時からの経過時間tを用いてエンジン始動用マップからモータMG1のトルク指令Tm1*を導出して設定する(ステップS120)。エンジン始動用マップは、エンジン22を始動する際のモータMG1のトルク指令Tm1*とエンジン22の回転数Neと始動開始時からの経過時間tとの関係を設定したマップである。図5にこのマップの一例を示す。このマップでは、図5に示すように、エンジン22の始動指示がなされた時間t1の直後からレート処理を用いて迅速に比較的大きなトルクをトルク指令Tm1*に設定してエンジン22の回転数Neを迅速に増加させる。エンジン22の回転数Neが共振回転数帯を通過したか共振回転数帯を通過するのに必要な時間以降の時間t2にエンジン22を安定して点火開始回転数Nstart以上でモータリングすることができるトルク(モータリング用トルク)をトルク指令Tm1*に設定し、電力消費や駆動軸としてのリングギヤ軸32aにおける反力を小さくする。ここで、点火開始回転数Nstartは、本実施例では共振回転数帯より余裕をもって大きな回転数(例えば1000rpm)に設定されているとした。そして、エンジン22の回転数Neが点火開始回転数Nstartに至る時間t3を超えエンジン22が完爆したときに初めて超える完爆回転数Ncombに至る時間t4に達するまで前出のモータリング用トルクをトルク指令Tm1*に設定し、時間t4から迅速にトルク指令Tm1*が値0となるようにレート処理を行い、時間t5にトルク指令Tm1*が値0になる。その後は、エンジン22を自立運転させる場合にはモータMG1のトルク指令Tm1*に値0を設定し続け、モータMG1により発電する場合には発電用のトルク(負の値)をトルク指令Tm1*に設定する。このように、エンジン22の始動指示がなされた直後に大きなトルクをモータMG1のトルク指令Tm1*に設定してエンジン22をモータリングすることにより、迅速にエンジン22を点火開始回転数Nstart以上に回転させて始動することができる。
こうしてモータMG1のトルク指令Tm1*を設定するとバッテリ50の入出力制限Win,Woutと設定したモータMG1のトルク指令Tm1*に現在のモータMG1の回転数Nm1を乗じて得られるモータMG1の消費電力(発電電力)との偏差をモータMG2の回転数Nm2で割ることによりモータMG2から出力してもよいトルクの上下限としてのトルク制限Tmin,Tmaxを次式(3)および式(4)により計算すると共に(ステップS130)、要求トルクTr*とトルク指令Tm1*とプラネタリギヤ30のギヤ比ρを用いてモータMG2から出力すべきトルクとしての仮モータトルクTm2tmpを式(5)により計算し(ステップS140)、仮モータトルクTm2tmpをトルク制限Tmin,Tmaxで制限した値としてモータMG2のトルク指令Tm2*を設定し(ステップS150)、設定したモータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*をモータECU40に送信すると共にスロットルバルブ124を全閉させるべくスロットル全閉指令をエンジンECU24に送信する(ステップS160)。このようにモータMG1のトルク指令Tm1*を設定すると共にモータMG2のトルク指令Tm2*を設定することにより、エンジン22を始動しながら駆動軸としてのリングギヤ軸32aに出力する要求トルクTr*をバッテリ50の入出力制限Win,Woutの範囲内で制限したトルクとして出力することができる。なお、式(5)は後述する図7の共線図から容易に導き出すことができる。また、トルク指令Tm1*,Tm2*を受信したモータECU40は、トルク指令Tm1*でモータMG1が駆動されると共にトルク指令Tm2*でモータMG2が駆動されるようインバータ41,42のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。一方、スロットル全閉指令を受信したエンジンECU24はスロットルバルブ124が全閉するまでスロットルモータ136を駆動するため、エンジン22がモータリングされると吸気バルブ128及び排気バルブ129の開閉を伴ってピストン132が往復動を繰り返すことにより吸気管160内の空気や燃焼室166内の空気が浄化装置134を介して外部へ排出される。
Tmin=(Win-Tm1*・Nm1)/Nm2 (3)
Tmax=(Wout-Tm1*・Nm1)/Nm2 (4)
Tm2tmp=(Tr*+Tm1*/ρ)/Gr (5)
次に、エンジン22の回転数Neが点火開始回転数Nstartに至っているか否かを判定し(ステップS170)、エンジン22の回転数Neが点火開始回転数Nstartに至っていないときにはステップS100に戻り、エンジン22の回転数Neが点火開始回転数Nstartに至るまでステップS100〜S170の処理を繰り返す。エンジン22の回転数Neが点火開始回転数Nstartに至ると、始動指令フラグFstartが値0か否かを確認する(ステップS180)。この始動指令フラグFstartはエンジン22へ始動指令を出力したか否かを表すフラグであり、値0のときには未だエンジン22へ始動指令を出力していないことを表し、値1のときには既にエンジン22へ始動指令を出力したことを表す。いま、ステップS170で初めてエンジン22の回転数Neが点火開始回転数Nstartに至ったときを考えると、ステップS180で始動指令Fstartは値0であるから、ステップS190以降の処理に進む。そして、触媒床温CTが所定の触媒活性温度以上か否かを判定する(ステップS190)。ここで、触媒活性温度は、浄化装置134を構成する触媒が排気浄化機能を十分発揮することのできる温度領域の下限又はその近傍に設定されている。ステップS190で触媒床温CTが所定の触媒活性温度以上のときには、続いてサージタンク内圧STPが大気圧より小さい閾値STPref以下に下がったか否かを判定する(ステップS200)。ここで、閾値STPrefは、モータリング時の圧縮行程の圧縮力を低減可能な圧力値であって且つエンジン22の初爆時振動を十分低減し得るトルクが出力されるような空気量に見合った圧力値であり、予め実験等により定められている。いま、エンジン22の回転数Neが初めて点火開始回転数Nstartに至ったときを考えると、サージタンク162は容積が大きいためサージタンク内圧STPは閾値STPref以下に下がっていないことから、ステップS100〜S200の処理を繰り返すことになる。そして、これらの処理を繰り返しているうちにサージタンク内圧STPが閾値STPref以下に下がったと判定されると、モータリング時間MTに基づいてモータリング由来の増量値を設定し(ステップS210)、該設定した増量値を加味した始動時燃料噴射量で燃料噴射を行い点火するようエンジンECU24へ始動指令を出力すると共に始動指令フラグFstartに値1をセットする(ステップS220)。すると、始動指令を受信したエンジンECU24は、エンジン22の冷却水の温度や吸気管160内の温度などに基づいて算出した始動時増量値(以下、通常始動時増量値という)にモータリング由来の増量値を加えて始動時燃料噴射量を算出し、該算出した始動時燃料噴射量の燃料が燃料噴射弁126から噴射されるよう燃料噴射弁126を制御すると共に、所定の点火時期に至るとイグニッションコイル138に通電して点火プラグ130から電気火花を飛ばして混合気に点火する。
図6はモータリング時間MTとモータリング由来の増量値との関係の一例を表すマップである。この図6では、モータリング由来の増量値は、モータリング時間MTが時間MT1に達するまではゼロに設定され、時間MT1から時間MT2まではモータリング時間MTが長くなるほど増加するように設定され、時間MT2に達したあとは最大増量値に設定される。時間MT1は、モータリングを行なっても吸気管160の内壁や燃焼室166の内壁の濡れ状態がモータリングを行なう前とほとんど変わらない短時間範囲(つまりエンジン22の吸気管160や燃焼室166の内壁に乾いた部分がほとんど現れない時間範囲)の上限としている。このため、モータリング時間MTが時間MT1に至るまでは、通常始動時増量値を加味するだけで初爆時の燃焼が十分安定することから、モータリング由来の増量値はゼロとしている。モータリング時間MTが時間MT1から時間MT2までの間にあるときには、モータリング時間MTが長いほど本来燃料で濡れているべき吸気管160の内壁や燃焼室166の内壁等に乾いた部分が多く生じるため、その乾いた部分へ燃料が付着することにより燃焼に供される燃料が不足することのないよう、乾いた部分の面積に応じてモータリング由来の増量値が増加するようにしている。時間MT2は、吸気管160の内壁や燃焼室166の内壁が最も乾いた状態となる時間範囲の下限としている。このため、モータリング時間MTが時間MT2を超えたあとは、吸気管160の内壁や燃焼室166の内壁のうち乾いた部分の面積がほぼ同じであるからその面積に見合った最大増量値をモータリング由来の増量値として採用している。この図6のマップは、ゼロから時間MT1までと時間MT2以降とでは始動時燃料噴射量が一定になっているものの、全体的にはモータリング時間MTが長いほど始動時燃料噴射量が増加する傾向となっている。
一方、ステップS190で触媒床温CTが触媒活性温度未満だったときには、浄化装置134は排気浄化機能を十分発揮できないため、サージタンク内圧STPが閾値STPref以下に下がるのを待つことなく、ステップS210に進んでモータリング時間MTに基づいてモータリング由来の増量値を設定する。すなわち、触媒床温CTが触媒活性温度未満と判定されるのは、比較的長期間駐車した後であることが多いため、その間に油密漏れなどにより吸気管160内や燃焼室166内に燃料が漏れ出ていることがある。そうした場合に、サージタンク内圧STPが閾値STPref以下に下がるのを待つとその分モータリング時間が長くなるため、漏れ出ていた燃料が空気と共に排気浄化機能を十分発揮し得ない浄化装置134へ送り込まれてしまい、エミッションが悪化するおそれがある。本実施例では、この点を考慮して、触媒床温CTが触媒活性温度未満のときにはサージタンク内圧STPが閾値STPref以下に下がるのを待たずにエンジン22の回転数Neが点火開始回転数Nstart以上になったあと直ちにモータリング由来の増量値を設定し(ステップS210)、エンジンECU24へ始動指令を出力するようにしている(ステップS220)。なお、このときのモータリング時間MTは、サージタンク内圧STPが閾値STPref以下に下がるのを待たないことから、図6の短時間範囲(時間0〜時間T1)内に入る。
さて、ステップS220でエンジンECU24へ始動指令を出力し始動指令フラグFstartを値1にセットしたあと、エンジン22の回転数Neが完爆回転数Ncombを超えたか否かによりエンジン22が完爆したか否かを判定する(ステップS230)。ここで、完爆回転数Ncombは、エンジン22が完爆したときに初めて超えるエンジン回転数であり、点火開始回転数Nstartよりも大きい値に設定されている。そして、エンジン22が完爆していないときには再びステップS100〜S230の処理を繰り返すが、そのときには既に始動指令フラグFは値1に設定済みであるからステップS180で否定判定されて直ちにステップS230にスキップすることになる。その後、ステップS230でエンジン22が完爆したと判定されたときには、エンジン22の始動は完了したと判断して、始動指令フラグFを値0にリセットし(ステップS240)、本ルーチンを終了する。本ルーチンを終了すると、エンジン22およびモータMG1,MG2を駆動するトルク変換運転モードや充放電運転モードにより走行するための図示しない駆動制御ルーチンが実行されるが、この制御については本発明の中核をなさないため、その詳細な説明は省略する。
図7はハイブリッド自動車20がモータ運転モードで走行しているときにエンジン22の始動要求がなされた場合の動作共線図である。図中、左のS軸はモータMG1の回転数Nm1であるサンギヤ31の回転数を示し、C軸はエンジン22の回転数Neであるキャリア34の回転数を示し、R軸はモータMG2の回転数Nm2を減速ギヤ35のギヤ比Grで除したリングギヤ32の回転数Nrを示す。モータ運転モードで走行しているときには、図中点線で示すように、エンジン22の回転数Neはゼロであり、モータMG1の回転数Nm1はモータMG2の回転数Nm2が決まるとそれに追従できるようにモータMG1のトルク指令Tm1*をゼロトルクとしている。このモータ運転モードのときに、バッテリ50の残容量(SOC)が比較的十分な状態でも運転者がアクセルペダル83を大きく踏み込んだとき等にはエンジン22の始動要求がなされ、モータMG1によりエンジン22をトルク指令Tm1*でモータリングしてエンジン22の回転数Neが点火開始回転数Nstartとなるようにし(図7の実線参照)、要求トルクTr*とモータMG1の反力トルクをキャンセルするキャンセルトルク(Tm1*/ρ)との和がリングギヤ軸32aに出力されるようにモータMG2を制御する。図8はハイブリッド自動車20が停車中で且つエンジン22の運転が停止しているときにエンジン22の始動要求がなされた場合の動作共線図である。停車中で且つエンジン22の運転が停止しているときには、モータMG1,MG2及びエンジン22の各回転数Nm1,Nm2,Neはすべてゼロである(図8の点線参照)。このようなときにシステムが起動されエンジン22の暖機やバッテリ50の充電を行なう必要がある場合にはエンジン22の始動要求がなされ、モータMG1によりエンジン22をトルク指令Tm1*でモータリングしてエンジン22の回転数Neが点火開始回転数Nstartとなるようにし(図8の実線参照)、モータMG1の反力トルクをキャンセルするキャンセルトルク(Tm1*/ρ)がリングギヤ軸32aに出力されるようにモータMG2を制御する。そして、図7及び図8のいずれにおいても、エンジン22の回転数Neが点火開始回転数Nstartに達したあと、触媒床温CTが触媒活性温度以上のときには、サージタンク内圧STPが閾値STPref以下に下がるのを待って通常始動時増量値にモータリング由来の増量値を加えて始動時燃料噴射量を算出し該算出した始動時燃料噴射量の燃料を噴射し混合気に点火してエンジン22を完爆させ、触媒床温CTが触媒活性温度未満のときには、サージタンク内圧STPにかかわらず通常始動時増量値のみで始動時燃料噴射量を算出し該算出した始動時燃料噴射量の燃料を噴射し混合気に点火してエンジン22を完爆させる。
以上説明した実施例のハイブリッド自動車20によれば、エンジン22の始動要求があったとき、サージタンク内圧STPが閾値STPref以下に下がるまでスロットルバルブ124により吸入空気量を絞った状態でエンジン22をモータリングするため、エンジン22の圧縮行程での圧縮力が小さくなり始動時の振動が低減するし、吸入空気量が絞られるので初爆時のトルクも小さくなり初爆時振動も低減する。一方、モータリング時には燃料カットの状態でエンジン22を空気が流通することから、モータリング時間MTが長くなるとエンジン22の吸気管160の内壁や燃焼室166の内壁等のように本来燃料で濡れているべき部分が乾いてくるが、乾いた部分へ燃料が付着することにより燃焼に供される燃料が不足することのないよう、モータリング時間MTに基づいてモータリング由来の増量値を設定するため、初爆時も安定して燃焼する。このように、エンジン22の始動時の振動を低減させると共に初爆時の燃焼安定性も確保することができる。
また、触媒床温CTが触媒活性温度未満と判定されるのは、比較的長期間駐車した後であることが多いため、その間に油密漏れなどにより吸気管160内や燃焼室166内に燃料が漏れ出ていることがある。そうした場合に、サージタンク内圧STPが閾値STPref以下に下がるのを待つと、その分モータリング時間が長くなるため漏れ出ていた燃料が空気と共に排気浄化機能を十分発揮し得ない浄化装置134へ送り込まれてしまいエミッションが悪化するおそれがあるが、本実施例では、サージタンク内圧STPが閾値STPref以下に下がるのを待たずにエンジン22の回転数Neが点火開始回転数Nstart以上になったあと直ちにエンジンECU24へ始動指令を出力するため、エンジン22の始動時の振動低減よりもエミッションの悪化防止を優先することができる。
なお、本発明は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
例えば、上述した実施例では、モータリング時間MTとモータリング由来の増量値との関係の一例を表すマップを採用したが、図9に示すマップを採用してもよい。図9のマップでは、モータリング由来の増量値は、モータリング時間MTが時間MT1に達するまではゼロに設定され、時間MT1から時間MT2まではモータリング時間MTが長くなるほどステップ関数的に増加するように設定され、時間MT2に達したあとは最大増量値に設定される。なお、モータリング由来の増量値を、モータリング時間MTが時間MT1に達するまではゼロ、時間MT1以降は所定の増量値(例えば最大増量値)となるようにしてもよい。これらの場合にも、上述した実施例と同様の効果が得られる。
上述した実施例では、ステップS160でスロットル全閉指令をエンジンECU24へ送信したが、スロットル全閉指令の代わりに、スロットルバルブ124が全閉位置よりも僅かに開いた位置になるような指令をエンジンECU24へ送信してもよい。このとき、スロットルバルブ124をどの程度開くかは、例えば、圧縮行程での圧縮力をどの程度低減するかとか、初爆時の出力トルクをどの程度小さくするかによって決定すればよい。
上述した実施例では、ハイブリッド用電子制御ユニット70のCPU72によって実行される始動時制御ルーチンで始動時燃料噴射量を設定するものとしたが、エンジン22の始動要求があったときにはハイブリッド用電子制御ユニット70からエンジンECU24へその始動要求を送信するようにし、その始動要求を受信したエンジンECU24のCPU24aが図10のエンジンECU側始動時制御ルーチンを行なうようにしてもよい。すなわち、このルーチンが開始されると、エンジンECU24のCPU24aは、モータリングによって回転数Neが点火開始回転数Nstartになったあと、触媒床温CTが触媒活性温度以上であればサージタンク内圧STPが閾値STPref以下に下がるのを待ってモータリング由来の増量値を設定し、触媒床温CTが触媒活性温度未満であればサージタンク内圧STPにかかわらず直ちにモータリング由来の増量値を設定する(ステップS300〜S330)。その後、モータリング由来の増量値を通常始動時増量値に加えて算出した始動時燃料噴射量の燃料を燃料噴射弁126から噴射し点火プラグ130の電気火花により混合気に点火する処理を実行し(ステップS340)、回転数Neが完爆回転数Ncombを超えたあとハイブリッド用電子制御ユニット70へ完爆信号を出力する(ステップS350,S360)。この場合、ハイブリッド用電子制御ユニット70は、ステップS160のあとステップS230へ進み、エンジンECU24から完爆信号を受信するまでステップS100〜S160,S230の処理を繰り返すようにすればよい。
上述した実施例のハイブリッド自動車20では、モータMG2の動力を減速ギヤ35により変速してリングギヤ軸32aに出力するものとしたが、図11の変形例のハイブリッド自動車120に例示するように、モータMG2の動力をリングギヤ軸32aが接続された車軸(駆動輪63a,63bが接続された車軸)とは異なる車軸(図11における車輪64a,64bに接続された車軸)に接続するものとしてもよい。
上述した実施例のハイブリッド自動車20では、エンジン22の動力をプラネタリギヤ30を介して駆動輪63a,63bに接続された駆動軸としてのリングギヤ軸32aに出力するものとしたが、図12の変形例のハイブリッド自動車220に例示するように、エンジン22のクランクシャフト26に接続されたインナーロータ232と駆動輪63a,63bに動力を出力する駆動軸に接続されたアウターロータ234とを有し、エンジン22の動力の一部を駆動軸に伝達すると共に残余の動力を電力に変換する対ロータ電動機230を備えるものとしてもよい。
上述した実施例のハイブリッド自動車20では、エンジン22の始動時における可変バルブタイミング機構150の動作について言及しなかったが、吸気バルブ128の閉弁タイミングを遅角側にすることにより吸入行程から圧縮行程に移行してもできるだけ吸気バルブ128を開いたままの状態にすることが好ましい。こうすることにより、エンジン始動時の圧縮行程で大きな圧縮力が生じることがなく、スムーズにエンジン22を始動させることができる。
このように、本発明の動力出力装置はハイブリッド自動車に適用することができるが、こうしたハイブリッド自動車に限定されるものではなく、自動車以外の車両、例えば列車や船舶などに適用することもできる。
20,120,220 ハイブリッド自動車、22 エンジン、24 エンジン用電子制御ユニット(エンジンECU)、24a CPU、24b ROM、24c RAM、26 クランクシャフト、28 ダンパ、30 プラネタリギヤ、31 サンギヤ、32 リングギヤ、32a リングギヤ軸、33 ピニオンギヤ、34 キャリア、35 減速ギヤ、40 モータ用電子制御ユニット(モータECU)、41,42 インバータ、43,44 回転位置検出センサ、50 バッテリ、51 温度センサ、52 バッテリ用電子制御ユニット(バッテリECU)、54 電力ライン、60 ギヤ機構、62 デファレンシャルギヤ、63a,63b 駆動輪、64 車軸、64a,64b 車輪、70 ハイブリッド用電子制御ユニット、72 CPU、74 ROM、76 RAM、80 イグニッションスイッチ、81 シフトレバー、82 シフトポジションセンサ、83 アクセルペダル、84 アクセルペダルポジションセンサ、85 ブレーキペダル、86 ブレーキペダルポジションセンサ、88 車速センサ、122 エアクリーナ、124 スロットルバルブ、126 燃料噴射弁、128 吸気バルブ、129 排気バルブ、130 点火プラグ、132 ピストン、134 浄化装置、135 触媒床温センサ、136 スロットルモータ、138 イグニッションコイル、140 クランクポジションセンサ、142 水温センサ、144 カムポジションセンサ、146 スロットルバルブポジションセンサ、148 エアフローメータ、149 温度センサ、150 可変バルブタイミング機構、160 吸気管、162 サージタンク、164 圧力センサ、166 燃焼室、232 インナーロータ、234 アウターロータ、230 対ロータ電動機、MG1,MG2 モータ。