JP5736920B2

JP5736920B2 - ハイブリッド車のエンジン制御装置

Info

Publication number: JP5736920B2
Application number: JP2011085102A
Authority: JP
Inventors: 一保堂園
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2031-04-07
Also published as: JP2012219685A

Description

本発明は、ハイブリッド車のエンジン制御装置に関するものである。

エンジンとして、水素やＬＰＧ等の気体燃料が供給される気体燃料エンジンが実用化されている。また、エンジンと走行用モータとを備えたハイブリッド車が増加する傾向にある。特許文献１には、ハイブリッド車用のエンジンとして。気体燃料エンジンを用いるものが開示されている。特許文献２には、ハイブリッド車において、エンジン回転を高効率の範囲内でもって稼働させることが開示されている。

一方、最近のエンジンでは、エンジンの停止と起動とが自動的に行われるものが増加している。例えば、エンジンがアイドリングストップを行う車両やハイブリッド車に搭載されたときに、エンジンの停止と起動とが自動的に行われることになる。このような自動的なエンジン停止と起動とを行うものにあっては、自動起動がかなり頻繁に行われることになるので、エンジンのクランキングのために必要なバッテリの消費電力が多くなる。

特開２００６−２５００２４号公報特開２００７−１９５３３４号公報

ところで、ハイブリッド車において、搭載するエンジンを気体燃料エンジンとしたときは、排気ガスの有害成分低減の上で好ましいものとなる。一方、気体燃料エンジンであっても、エンジンの始動時には、空燃比がかなりリッチにされるため、Ｒａｗ・ＮＯｘの発生量が多くなる。このＲａｗ・ＮＯｘは、燃料噴射を吸気行程中で行ったときは、燃料噴射を吸気行程終期から圧縮行程の範囲で行う場合に比して低減することが可能である。しかしながら、走行用モータへ電力供給するバッテリの充電量が少ないときに、Ｒａｗ・ＮＯｘ低減のために燃料噴射を吸気行程で行った場合は、燃料が気体であることから充填効率が大きく低下してエンジン出力（エンジントルク）が低下し、このためバッテリ充電量の低減防止という点では好ましくないものとなる。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、気体燃料が供給されるエンジンを搭載したハイブリッド車において、エンジン始動時のＲａｗ・ＮＯｘ低減とバッテリ充電量の低減防止とを共に高い次元で満足できるようにしたハイブリッド車のエンジン制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあっては次のようの解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
気体燃料が供給されるエンジンと、該エンジンによって駆動されて発電を行うジェネレータと、該ジェネレータでの発電電力を蓄電するバッテリと、該バッテリと該ジェネレータとの少なくとも一方から電力を受けて駆動される走行用モータと、を備えたハイブリッド車両のエンジン制御装置であって、
前記バッテリの充電量を検出する充電量検出手段と、
エンジンに供給する気体燃料を、吸気行程中に供給する第１燃料噴射態様と、吸気行程終期から圧縮行程の期間の範囲で供給する第２燃料噴射態様とを選択可能な燃料噴射手段と、
前記燃料噴射手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記エンジンの始動の際に、前記充電量検出手段で検出される充電量があらかじめ設定された所定値以上のときは、前記第１燃料噴射態様での燃料噴射割合を前記第２燃料噴射態様での燃料噴射割合よりも多くする一方、該充電量が前記所定値未満のときは、該充電量が該所定値以上の場合に比して、前記第１燃料噴射態様での燃料噴射割合を低減して前記エンジン第２燃料噴射態様での燃料噴射割合を増大させる、
ようにしてある。上記解決手法によれば、バッテリの充電量が多いときは少ないときに比して第１燃料噴射態様での燃料噴射割合を多くして、Ｒａｗ・ＮＯｘを低減することができる。また、バッテリの充電量が少ないときは充電量が多いときに比して、第１燃料噴射態様での燃料噴射割合を低減して、第２燃料噴射態様での燃料噴射割合を多くするので、エンジンの充填効率を高めて（エンジンによるバッテリの充電効率を高めて）、バッテリの充電量が低下することが防止される。

本発明によれば、Ｒａｗ・ＮＯｘ低減とバッテリの充電量低減防止とを共に高い次元で満足することができる。

本発明をハイブリッド車に適用した場合の一例を示す簡略平面図。気体燃料エンジンの一例を示す系統図。バッテリ電力のみを利用した走行とエンジンにより発電を行いつつ走行するときの一例を示す図。本発明の制御系統例をブロック図的に示す図。バッテリ充電量が多いときのエンジン始動時における燃料噴射態様と空燃比設定との一例を示すタイムチャート。バッテリ充電量が少ないときのエンジン始動時における燃料噴射態様と空燃比設定との一例を示すタイムチャート。本発明の制御例を示すフローチャート。

図１において、車両としての自動車Ｖは、そのボディ（車体）が符合１で示され、左右前輪が符合２で示され、左右後輪が符合３で示される。４は、走行用モータで、この走行用モータ４が、デファレンシャルギア５Ａ、ドライブシャフト５Ｂを介して左右の前輪２に連結されている。すなわち、実施形態では、左右前輪２のみが駆動される前輪駆動車とされている。

ボディ１の前部には、走行用モータ４の他に、エンジン６，ジェネレータ７、インバータ８が配設されている。また、ボディ１の前後方向中間部から後部に渡っての床面下には、バッテリ９，燃料タンク１０が配設されている。エンジン６は、火花点火式気体燃料エンジンとされて、燃料タンク１０内に貯溜された気体燃料としての例えば水素が供給されるようになっている。

ジェネレータ７は、エンジン６によって駆動されて発電を行うと共に、バッテリ９からの電力を受けてエンジン６を始動するための始動用モータとしても機能される。バッテリ９は、例えばリチウムイオン電池によって構成されて、高電圧（例えば３００〜５００Ｖ）かつ大容量となっている。バッテリ９の蓄電電力が走行用モータ４に供給されて走行され、最大蓄電量状態にあるバッテリ９のみの蓄電電力によって数十ｋｍ（例えば３０〜６０ｋｍ）走行可能とされている。さらに、ボディ１の後端部には、低電圧（例えば１２Ｖ）のバッテリ１１が搭載され、このバッテリ１１によって、点火プラグ、燃料噴射弁、ヘッドライト、ワイパ、オーディオ等の各種車載電気機器類に給電されるようになっている。

図２は、エンジン６とその吸・排気系の一例を示す。実施形態では、エンジン６は、バンケル式のロータリピストンエンジンとされて、直列に第１気筒ＲＡと第２気筒ＲＢとの２つの気筒を有する。各気筒ＲＡ、ＲＢの吸気ポートに個々独立して連なる分岐吸気通路２１Ａ、２１Ｂが１本の共通吸気通路２２に連なっている。この共通吸気通路２２には、スロットル弁２３が配設されている。また、各分岐吸気通路２１Ａ、２１Ｂには、ポート噴射用の第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ｂが配設されている。この第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ｂは、吸気行程中に燃料噴射する第１燃料噴射態様を得るためのものとなっている。燃料噴射弁としては、さらに、気筒（作動室）内に直接燃料噴射を行う第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂが設けられている。この第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂは、吸気行程終期から圧縮行程の範囲でもって燃料噴射を行うもので（実施形態では圧縮行程中に燃料噴射を実行）、第２燃料噴射態様を得るためのものとなっている。

各気筒ＲＡ、ＲＢの排気ポートに個々独立して連なる分岐排気通路２６Ａ、２６Ｂが、１本の共通排気通路２７に連なっている。この共通排気通路２７には、空燃比センサ２８が配設されると共に、空燃比センサ２８の下流側において、排気ガス浄化触媒（実施形態ではＮＯｘ触媒）２９が配設されている。

共通吸気通路２２と共通排気通路２７とが、ＥＧＲ通路３０によって接続され、このＥＧＲ通路３０には、ＥＧＲ弁３１が接続されている。なお、ＥＧＲ通路３０は、スロットル弁２３の下流側において共通吸気通路２２に開口され、空燃比センサ２８の上流側において共通排気通路２７に開口されている。

各気筒ＲＡ、ＲＢは、２つの点火プラグ３３Ａ、３３Ｂを有している。エンジン始動後において、第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ｂからの燃料噴射は、相対的に低回転・低負荷時に実行される一方、第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂからの燃料噴射は、相対的に高回転または高負荷時において行われる。空気と燃料噴射弁から噴射される燃料としての水素との混合気が、点火プラグ３３Ａ、３３Ｂによって着火される。混合気への着火によって燃焼が行われる。なお、エンジン始動時における燃料噴射制御については後述する。

図３は、バッテリ９の蓄電量に応じて車両Ｖの走行状況が変化される様子を示す。すなわち、バッテリ９の蓄電量が大きいとき（例えば蓄電量が４０％に低下するまで）は、エンジン６は停止（自動停止）されていて、バッテリ９からの電力供給のみによって走行用モータ４が駆動される（いわゆるプラグイン走行）。一方、バッテリ９の蓄電量が小さくなると（例えば蓄電量が４０％未満となったとき）は、エンジン６が起動されて（自動起動）、ジェネレータ７での発電が行われ、このジェネレータ７の発電電力が走行用モータ４に供給されると共に、余剰電力がバッテリ９へ供給される。ジェネレータ７の発電電力によってバッテリ９の蓄電量が増大されたとき（例えば蓄電量が７０％となったとき）は、エンジン４が自動停止される（プラグイン走行の再開）。このように、バッテリ９の蓄電量に応じて、エンジン６が自動的に停止と起動とを繰り返して、エンジン６が起動されているときには、ジェネレータ７によって発電しつつ、走行とバッテリ９への蓄電が行われる。なお、車両Ｖの減速時には、走行用モータ４による回生が行われて、回生による電力がバッテリ９に蓄電される。

図４は、本発明の制御系統例をブロック図的に示すものである。図中Ｕは、マイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラ（制御ユニット）である。このコントローラＵは、走行用モータ４，エンジン６（特に燃料噴射弁）、ジェネレータ７、インバータ８を制御する。インバータ８を介して、バッテリ９と走行用モータ４との間での電力授受、ジェネレータ７とバッテリ９との間での電力授受、ジェネレータ７から走行用モータ４への電力供給、バッテリ９からバッテリ１１への電力供給等が行われる。

コントローラＵは、燃料噴射制御や点火時期制御等のエンジン制御を行う他、エンジン６の自動的な停止と起動の制御等を行う。このコントローラＵには、空燃比センサ２８からの信号が入力されるが、空燃比センサ２８はリニアセンサとされて、空燃比としての空気過剰率λを検出するためのものとなる。コントローラＵには、この他、各種センサあるいはスイッチＳ１〜Ｓ６からの信号が入力される。センサＳ１は、車速を検出するものである。センサＳ２は、アクセル開度を検出するものである。センサＳ３は、エンジン冷却水温度を検出するものである。センサＳ４は、エンジン回転数を検出するものである。スイッチＳ５は、ブレーキペダルが踏み込み操作されたことを検出するものである。センサＳ６は、バッテリ９の充電量を検出するものである。

コントローラＵによるエンジン６の自動停止と自動起動は、例えば次のような条件にしたがって行われる。まず、前述したように、バッテリ９の蓄電量に応じた自動停止と自動起動とが行われる。また、バッテリ９の蓄電量に応じてエンジンが自動起動されている条件下でも、アイドルストップによる自動停止と自動起動が行われる。すなわち、例えばアクセル開度が０、車速が０でしかもブレーキスイッチＳ５がＯＮのとき（ブレーキペダルが踏み込み操作されているとき）に、エンジン６が自動停止される。そして、自動停止状態からブレーキスイッチＳ５がＯＦＦになると、エンジン６が自動起動される。

次に、図５を参照しつつ、バッテリ９の充電量が多いとき、つまりセンサＳ６で検出される充電量があらかじめ設定された所定値（充電割合で例えば５０％）よりも大きいときの燃料噴射制御の一例を示すものである。この図５において、エンジンの始動指令があったとき（始動条件が満足されたとき）は、燃料噴射は、吸気行程中において、第１燃料噴射弁２４Ａ、２５Ｂからのみ行われ、第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂからの燃料噴射は行われないものとされる（第１燃料噴射態様のみでの燃料噴射実行）。第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ｂからの燃料噴射によってエンジンが起動されて、エンジン回転が通常回転数となる所定回転数（例えば１０００ｒｐｍ）になったｔ１時点以降は、第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ｂと第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂとの両方から燃料噴射が実行され、そのときの燃料噴射割合は、例えば５０％づつとされる。また、空燃比は、エンジン始動から上記所定回転数になるまでは相対的にリッチ（実施形態では空気過剰率λが例えば１．２とされるが、λ＝１以上に設定するのが好ましい）とされて、エンジン始動が確実かつすみやかに行われる。また、エンジン回転数が上記所定回転数以上になった後は、空燃比が相対的にリーンとされる（例えば空気過剰率λ＝２．２）。空燃比がリッチにされるエンジン始動時には、第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ｂからのみの燃料噴射実行により、Ｒａｗ・ＮＯｘ低減の上で好ましいものとなる。

図６は、バッテリ９の充電量が少ないとき（充電割合で例えば５０％未満）の燃料噴射制御の一例を示すものである。このときは、第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ｂと第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂとの両方から燃料噴射が行われる。燃料噴射制御に際して、エンジン始動時期が、始動初期と始動後期とに分けられて、始動初期時（ｔ１１時点よりも前）には始動後期（ｔ１１〜ｔ１２の範囲）に比して、第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ａでの燃料噴射割合が第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂでの燃料噴射割合よりも大きくされる。具体的には、始動初期時（例えばエンジン回転数が５００ｒｐｍ以下となるｔ１１時点よりも前のとき）は、第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ｂからの燃料噴射割合が例えば７０％とされ、第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂからの燃料噴射割合が３０％とされる。また、始動後期（例えばエンジン回転数が５００〜１０００ｒｐｍの間となるｔ１１時点〜ｔ１２時点の間のとき）は、第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ｂからの燃料噴射割合が例えば６０％とされ、第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂからの燃料噴射割合が４０％とされる。そして、始動後（エンジン回転数が前記所定回転数１０００ｒｐｍ以上になったｔ１２時点以降）は、第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ｂからの燃料噴射割合と第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂからの燃料噴射割合とがそれぞれ５０％づつとされる。

バッテリ充電量が少ないときのエンジン始動時の空燃比は、時間の経過と共にリッチからリーンへと変化される（ただし、空気過剰率λは少なくとも１．０以上の範囲のリッチ化）。具体的には、空燃比を空気過剰率λで示したとき、始動初期は例えばλ＝１．２ともっともリッチとされ、始動後期は例えばλ＝１．６とリッチとされ、始動後は例えばλ＝２．２とされる。このように、始動時においては空燃比がリッチにされて、エンジンの始動が確実かつすみやかに行われる。また、吸気行程終期から圧縮行程の範囲で第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂからも燃料噴射が行われるので、充填効率が向上されて、エンジントルクが増大され、その分、バッテリ９の充電量低減が防止される（積極的に充電を行うようにすることもできる）。

図７は、前述したコントローラＵの制御内容を示すフローチャートであり、以下このフローチャートについて説明する。なお、以下の説明でＱはステップを示す。まず、Ｑ１において、各種センサあるいはスイッチＳ１〜Ｓ６からの信号が読み込まれる。この後、Ｑ２において、エンジンの始動指令があるか否か（始動条件が満足したか否か）が判別される。このＱ２の判別でＮＯのときは、Ｑ１に戻る。

上記Ｑ２の判別でＹＥＳのときは、Ｑ３において、センサＳ６で検出されるバッテリ９の充電量が所定値ＢＡ（例えば５０％）以上であるか否かが判別される。このＱ３の判別でＹＥＳのときは、Ｑ４において、第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ｂからのみ燃料噴射が実行され、そのときの空燃比は空気過剰率λで１．２とされる。Ｑ４の後、Ｑ５において、センサＳ４で検出されるエンジン回転数Ｎが、あらかじめ設定された第２所定回転数（例えば１０００ｒｐｍ）以上になったか否かが判別される。このＱ５の判別でＮＯのときは、また始動途中であるとして、Ｑ４の制御が続行される。Ｑ５の判別でＹＥＳのときは、Ｑ６において、第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ｂと第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂとの両方から、５０％づつの燃料噴射割合でもって燃料噴射が行われ、また空燃比もλ＝２．２とされる。

前記Ｑ３の判別でＮＯのとき、つまりバッテリ９の充電量が少ないときは、Ｑ７において、第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ｂから燃料噴射割合７０％で燃料噴射されると共に、第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂから燃料噴射割合３０％で燃料噴射される。また、このときの空燃比はもっともリッチとなるλ＝１．２とされる。Ｑ７の後、Ｑ８において、エンジン回転数Ｎが、あらかじめ設定された第１所定回転数Ｎ１（例えば５００ｒｐｍ）と第２所定回転数Ｎ２（例えば１０００ｒｐｍ）の範囲にあるか否かが判別される。このＱ８の判別でＮＯのときは、まだ始動初期時であるとして、Ｑ７での制御が続行される。

前記Ｑ８の判別でＹＥＳのときは、始動後期になったときであり、このときは、Ｑ９において、第１燃料噴射弁２４Ａ、２４Ｂから燃料噴射割合６０％で燃料噴射されると共に、第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂから燃料噴射割合４０％で燃料噴射される。また、このときの空燃比はリッチとなるλ＝１．６とされる。Ｑ９の後、Ｑ１０において、エンジン回転数Ｎが、第２所定回転数Ｎ２以上であるか否かが判別される。このＱ１０の判別でＮＯのときは、まだ始動後期の範囲であるとして、Ｑ９の制御が続行される。そして、Ｑ１０の判別でＹＥＳのときは、前述したＱ６へ移行される。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。エンジン６によって車輪駆動を行うものであってもよく、この場合、エンジン６のみによる車輪駆動と、走行用モータ４のみによる車輪駆動と、エンジン６と走行用モータ４の両方による車輪駆動との態様を適宜切換えるものであってもよい。エンジン６は、往復動型エンジンであってもよい。

図５において、図６の場合と同様に、始動初期と始動後期に分けて、始動後期での燃料噴射割合や空燃比を、始動初期と始動後との間の数値に設定するようにしてもよい。図５において、始動初期時から第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂから燃料噴射を行うようにしてもよい（ただし図５の場合に比してその燃料噴射割合が小さくされる）。図６において、始動初期時の燃料噴射を、第２燃料噴射弁２５Ａ、２５Ｂからのみ行うようにしてもよい。図５，図６の場合共に、始動中は、燃料噴射割合と空燃比とのいずれか一方あるいは両方共に、３段階以上に変化させたり、連続可変的に変化させるようにしてもよい。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明は、例えば水素を燃料とするエンジンを搭載したハイブリッド車に適用して好適である。

Ｖ：車両
４：走行用モータ
６：エンジン
７：ジェネレータ
９：バッテリ
１０：燃料タンク
２４Ａ、２４Ｂ：第１燃料噴射弁（ポート噴射用）
２５Ａ、２５Ｂ：第２燃料噴射弁（直噴用）
２８：空燃比センサ
３３Ａ、３３Ｂ：点火プラグ
Ｕ：コントローラ
Ｓ６：センサ（充電量）

Claims

気体燃料が供給されるエンジンと、該エンジンによって駆動されて発電を行うジェネレータと、該ジェネレータでの発電電力を蓄電するバッテリと、該バッテリと該ジェネレータとの少なくとも一方から電力を受けて駆動される走行用モータと、を備えたハイブリッド車両のエンジン制御装置であって、
前記バッテリの充電量を検出する充電量検出手段と、
エンジンに供給する気体燃料を、吸気行程中に供給する第１燃料噴射態様と、吸気行程終期から圧縮行程の期間の範囲で供給する第２燃料噴射態様とを選択可能な燃料噴射手段と、
前記燃料噴射手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記エンジンの始動の際に、前記充電量検出手段で検出される充電量があらかじめ設定された所定値以上のときは、前記第１燃料噴射態様での燃料噴射割合を前記第２燃料噴射態様での燃料噴射割合よりも多くする一方、該充電量が前記所定値未満のときは、該充電量が該所定値以上の場合に比して、前記第１燃料噴射態様での燃料噴射割合を低減して前記第２燃料噴射態様での燃料噴射割合を増大させる、
ことを特徴とするハイブリッド車のエンジン制御装置。
請求項１において、
前記燃料噴射手段が、吸気ポートに向けて燃料噴射する第１燃料噴射弁と、筒内に直接燃料噴射する第２燃料噴射弁とを備え、
前記第１燃料噴射弁からの燃料噴射により前記第１燃料噴射態様とされ、
前記第２燃料噴射弁からの燃料噴射により前記第２燃料噴射態様とされる、
ことを特徴とするハイブリッド車のエンジン制御装置。
請求項２において、
前記充電量検出手段で検出される充電量が前記所定値以上のときは、前記第１燃料噴射弁からのみ燃料噴射され、
前記充電量検出手段で検出される充電量が前記所定値未満のときは、前記第１燃料噴射弁と前記第２燃料噴射弁の両方から燃料噴射される、
ことを特徴とするハイブリッド車のエンジン制御装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、
エンジン始動時は始動後に比して、空燃比がリッチにされると共に、前記第１燃料噴射態様での燃料噴射割合が前記第２燃料噴射態様での燃料噴射割合よりも多くされる、ことを特徴とするハイブリッド車のエンジン制御装置。
請求項４において、
エンジン始動初期は始動後期に比して、空燃比がリッチにされると共に、前記第１燃料噴射態様での燃料噴射割合が前記第２燃料噴射態様での燃料噴射割合よりも多くされる、ことを特徴とするハイブリッド車のエンジン制御装置。
請求項４または請求項５において、
少なくともエンジンの始動初期は、前記第１燃料噴射態様のみでの燃料噴射が行われる、ことを特徴とするハイブリッド車のエンジン制御装置。