JP6244657B2 - ハイブリッド電動車両 - Google Patents

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Description

本発明はハイブリッド電動車両に関し、更に詳しくは、ＮＯｘの浄化率を低下させることなく、燃費を改善することができるハイブリッド電動車両に関する。
近年、燃費向上と環境対策などの観点から、内燃機関が発生する駆動力の一部を、バッテリーを電源とする走行モータで代替するハイブリッド電動車両（以下「ＨＥＶ」という。）が注目されている。
このＨＥＶにおける内燃機関にディーゼルエンジンを用いる場合には、従来の車両と同じく、ディーゼルエンジンの排ガスに含有される粒子状物質（ＰＭ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）などの有害物質を除去するための浄化システムが必要となる。前者のＰＭについては、セラミックス製のハニカム状多孔体のフィルタによりＰＭを捕集するＰＭ捕集フィルターなどが実用化されている。また、後者のＮＯｘについては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が注目されている。
このＮＯｘ吸蔵還元触媒を用いた排ガス浄化システムは、排気ガス中のＮＯｘを、空燃比がリーン状態のときにＮＯｘ吸蔵材（ＫやＢａなどのアルカリ金属又はアルカリ土類金属）に一旦吸蔵させ、定期的に排ガスをリッチ状態にすることで吸蔵されたＮＯｘを放出させて三元機能により還元する再生操作を行うものである。ディーゼルエンジンの排気ガスをリッチ状態にするには、ポスト噴射や排気管内への直接噴射により排気ガス中に未燃燃料を供給する。
しかし、上記のＮＯｘ吸蔵還元触媒は、触媒温度が活性化温度（例えば、２００〜５００℃）の範囲外になるとＮＯｘの浄化率が低下するため、排ガス中のＮＯｘの大部分が浄化されずに大気中に放出されるおそれがある。
ここで、一般にディーゼルエンジンにおいては、ＮＯｘの発生量の減少と燃費とはトレードオフの関係にあることが知られている。そのため、上記のようなＮＯｘ吸蔵還元触媒におけるＮＯｘの浄化率の低下に応じて、ディーゼルエンジンのＮＯｘの発生量を減少させようとすると、燃費が悪化してしまうことになる。
このような問題を解決するために、ＨＥＶの発電要求時において、エンジンを有害物質の排出が少なくなる動作範囲内に規制し、かつその範囲内で得られた電力をエンジンの出力アシストに利用することで、排気組成及び燃費を改善する制御装置が提案されている（特許文献１を参照）。
しかしながら、上記の制御装置では、ＨＥＶの発電要求時にのみ制御を行うため、ＮＯｘの排出量の低減及び燃費の改善にかかる効果は十分なものではない。
特開２００１−３７００８号公報
本発明の目的は、燃費を悪化させることなく、ＮＯｘの浄化率を向上することができるハイブリッド電動車両を提供することにある。
上記の目的を達成する本発明のハイブリッド電動車両は、エンジン及び走行モータの少なくとも一方を駆動源とするハイブリッドシステムと、前記エンジンの排気管に介設されたＮＯｘ吸蔵還元触媒からなる排ガス浄化システムとを備えたハイブリッド電動車両であって、前記ハイブリッドシステム及び排ガス浄化システムを制御する制御手段は、前記ハイブリッド電動車両の運転に必要な負荷が予め設定された高負荷領域にあって、かつ前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が該ＮＯｘ吸蔵還元触媒の活性化温度の下限値よりも低いときは、前記エンジンの駆動力の一部を前記走行モータの駆動力で代替させて、前記ハイブリッド電動車両の運転状態を、前記高負荷領域のうち、エンジントルクの大きさで当該高負荷領域を区分した場合の中央部に存在し、かつ前記エンジンの排ガス温度が前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を活性化温度域に維持する領域である最適排ガス温度運転領域において一定にし、前記ハイブリッド電動車両の運転に必要な負荷が、予め設定された低負荷領域にあって、かつ前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が前記下限値よりも低いときは、前記エンジンの駆動力の一部により前記走行モータを駆動して発電させ、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が該ＮＯｘ吸蔵還元触媒の活性化温度の上限値よりも高いときは、前記エンジンの駆動力の一部を前記走行モータの駆動力で代替させることを特徴とするものである。
本発明のハイブリッド電動車両によれば、ディーゼルエンジンのエンジントルクを、車両の運転に必要な負荷とＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度に応じて、走行モータを用いて低下又は増加させることにより、ＮＯｘ発生量に対してＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を適正に制御して、ＮＯｘの排出量を減少させるようにしたので、ハイブリッド電動車両におけるＮＯｘの浄化率を向上することができる。また、ディーゼルエンジンのエンジントルクを増加させた時には、その増加分に相当するエネルギーを電力としてバッテリに蓄えるので、車両の燃費の悪化を防止できる。
本発明の実施形態からなるハイブリッド電動車両の構成図である。 本発明の実施形態からなるハイブリッド電動車両の制御方法を説明するフロー図である。 車両の運転領域の区分の例を模式的に示すグラフである。 本発明の実施形態からなるハイブリッド電動車両の構成図の別の例である。 本発明の実施形態からなるハイブリッド電動車両の構成図の更に別の例である。 ＮＯｘ還元吸蔵触媒の温度が活性化温度の下限値未満であって、かつハイブリッド電動車両への要求負荷が高負荷領域にある場合の実施例におけるハイブリッド電動車両の運転領域の変位を模式的に示すグラフである。 図６における経時変化を示すグラフである。 ＮＯｘ還元吸蔵触媒の温度が活性化温度の下限値未満であって、かつハイブリッド電動車両への要求負荷が低負荷領域にある場合の実施例におけるハイブリッド電動車両の運転領域の変位を模式的に示すグラフである。 図８における経時変化を示すグラフである。 ＮＯｘ還元吸蔵触媒の温度が活性化温度の上限値超である場合の実施例におけるハイブリッド電動車両の運転領域の変位を模式的に示すグラフである。 図１０における経時変化を示すグラフである。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態からなるハイブリッド電動車両を示す。このハイブリッド電動車両（以下、「ＨＥＶ」という。）１Ａは、左右一対の駆動輪２、２に駆動力を伝達する出力軸３に、変速機４を介して連結するディーゼルエンジン５及び走行モータ６と、その走行モータ６にインバータ７を通じて電気的に接続するバッテリー８とを有するハイブリッドシステム９を備えている。変速機４とディーゼルエンジン５との間には、湿式多板クラッチ１０及び流体継手１１が順に設けられている。また、変速機４と走行モータ６との間には、駆動力を断接するモータ用クラッチ１２が介設されている。
更に、このＨＥＶ１Ａは、ディーゼルエンジン５の排ガスＧが流れる排気管１３の途中に介設された触媒コンバータ１４と、その触媒コンバータ１４の上流側に設置された未燃燃料の噴射ノズル１５とを有する排ガス浄化システム１６を備えている。太径の触媒コンバータ１４内には、γアルミナ等で形成されたモノリスハニカムのセルの担持体の表面に、触媒金属及びＮＯｘ吸蔵材を担持させて構成したＮＯｘ吸蔵還元触媒１７が格納されている。触媒金属としてはＰｔやＰｄが用いられる。またＮＯｘ吸蔵材としては、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｃｓ等のアルカリ金属や、Ｂａ、Ｃａ等のアルカリ土類金属のうちのいずれか１つ又は組み合わされた複数が用いられる。なお、噴射ノズル１５の代わりに、ディーゼルエンジン５の気筒への燃料噴射におけるポスト噴射を用いることもできる。
この排ガス浄化システムにおいては、通常は、ディーゼルエンジン５と噴射ノズル１５との間に、酸化触媒（ＤＯＣ）及び／又はＰＭ捕集フィルター（図示せず）を設けるようにする。
そして、排ガス浄化システム１６における触媒コンバータ１４の入口近傍には、排ガスＧの温度を測定する温度センサ１８が設けられている。この温度センサ１８の測定値から、直接的な測定が困難であるＮＯｘ吸蔵還元触媒１７の温度を推定することが可能である。
上記のハイブリッドシステム９、排ガス浄化システム１６及び温度センサ１８は、制御手段であるＥＣＵ１９に信号線（一点鎖線で示す）を通じて接続されている。
このようなＨＥＶ１ＡにおけるＥＣＵ１９による制御方法を、図２に基づいて以下に説明する。
ＥＣＵ１９は、温度センサ１８からＮＯｘ吸蔵還元触媒１７の測定温度Ｔを取得し（Ｓ１０）、その測定温度ＴがＮＯｘ吸蔵還元触媒１７の活性化温度の下限値（例えば、約２００℃）であるかを判定する（Ｓ１２）。
測定温度Ｔが下限値未満である場合には、ＨＥＶ１Ａに要求されている運転に必要な負荷（以下、「要求負荷」という。）の程度をマップを参照して確認する（Ｓ１４）。このマップとして、ディーゼルエンジン５のエンジン回転数とエンジントルクとをパラメータとして、ＨＥＶ１Ａの運転領域を模式的に区分したものを図３に例示する。この図３における高負荷領域は、ＨＥＶ１Ａの発進時などのアクセルを大きく踏み込む場合が該当し、また低負荷領域は、ＨＥＶ１Ａの緩やかな加速時などのアクセルをわずかに踏む込む場合が該当する。更に、回生領域は、ＨＥＶ１Ａの制動時などが該当し、回生エネルギーで走行モータ６が発電し、この発電された電力でインバータ７を通じてバッテリー８が充電される。
そして、ＨＥＶ１Ａへの要求負荷が高負荷領域にある場合には、走行モータ６を回転駆動し、かつモータ用クラッチ１２を接続することで、ディーゼルエンジン５の駆動力の一部を走行モータ６の駆動力でアシストする（Ｓ１６）。この操作により、ディーゼルエンジン５のエンジントルクが減少するため、燃料消費が抑制されるとともに、ＮＯｘの発生量が低下する。このようにディーゼルエンジン５におけるＮＯｘの発生量が低下することで、ＨＥＶ１Ａの発進時などでＮＯｘ吸蔵還元触媒１７の温度が低くても、ＮＯｘの排出量を低減できるので、全体としてＮＯｘの浄化率を向上することができる。
この走行モータ６による駆動力のアシストは、ＨＥＶ１Ａが一定走行の状態に移行したときにＮＯｘ吸蔵還元触媒１７の温度が低い状態のままにならないように、測定温度Ｔが下限値以上になると停止される（Ｓ２２）。
一方で、ＨＥＶ１Ａへの要求負荷が低負荷領域にある場合には、モータ用クラッチ１２を接続し、かつ走行モータ６を発電機として使用してインバータ７を通じてバッテリー８を充電する（Ｓ２４）。この操作により、ディーゼルエンジン５のエンジントルクが増加するため、燃料消費が促進されるとともに、排ガスＧの温度が上昇する。排ガスＧの温度が上昇するとＮＯｘ吸蔵還元触媒１７の温度も上昇するので、ＨＥＶ１Ａの緩やかな加速時などでエンジントルクが増加してＮＯｘの発生量が増加しても、ＮＯｘの浄化率を向上することができる。なお、ディーゼルエンジン５における燃料消費の増加分に相当するエネルギーは、電力となってバッテリー８に蓄えられるので、車両の燃費が悪化することはない。
上記のステップＳ１２において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１７の測定温度Ｔが下限値以上である場合には、更に測定温度ＴがＮＯｘ吸蔵還元触媒１７の活性化温度の上限値（例えば、約５００℃）超であるかを判定する（Ｓ２６）。
測定温度Ｔが上限値超であるときには、走行モータ６を回転駆動し、かつモータ用クラッチ１２を接続することで、ディーゼルエンジン５の駆動力の一部を走行モー６タの駆動力でアシストする（Ｓ２８）。この操作により、ディーゼルエンジン５のエンジントルクが減少するため、燃料消費が抑制されるとともに、排ガスＧの温度が下降する。排ガスＧの温度が下降するとＮＯｘ吸蔵還元触媒１７の温度も下降するため、ＮＯｘの浄化率を向上することができる。
以上のようなＥＣＵ１９による制御を行うことで、車両の燃費を悪化させることなく、排ガス浄化システム１６におけるＮＯｘの浄化率を向上することができるのである。
なお、上記のＨＥＶ１Ａでは、ディーゼルエンジン５と走行モータ６とを並列に配置ししているが、車両の構成はこれに限るものではなく、例えばディーゼルエンジン５と走行モータ６とを直列に配置したＨＥＶ１Ｂ（図４を参照）や、走行モータ６を一対の駆動輪２、２にそれぞれ直接的に接続したＨＥＶ１Ｃ（図５を参照）などでも良い。なお、図４、５のような、モータ用クラッチ１２が不要となる構成の場合には、ＥＣＵ１９はモータ用クラッチ１２を断接する代わりに走行モータ６の駆動力を入切する制御を行うことになる。
本発明の実施形態からなるハイブリッド電動車両の制御方法（実施例）と、従来技術の制御方法（比較例）との比較を図６〜１１に示す。なお、これらの図においては、実施例を実線で、比較例を点線で、それぞれ示す。
（１）測定温度ＴがＮＯｘ還元吸蔵触媒の活性化温度の下限値未満であって、かつ要求負荷が高負荷領域にある場合
図６に示すように、ＨＥＶ１Ａへの要求負荷が低負荷領域内の出発点（四角印）から高負荷領域内上部の到着点（丸印）へ上昇する場合を想定する。
図７に示すように、時刻ｔ０〜ｔ２にかけてアクセルが大きく踏み込まれると、比較例ではエンジントルクが上昇するに伴って触媒温度が上昇し、かつＮＯｘ発生量が増加する。しかし、このときの触媒温度は活性化温度の下限値よりも低いため、ＮＯｘ還元吸蔵触媒におけるＮＯｘの浄化率は低くなり、ＨＥＶ１Ａから外気へのＮＯｘ排出量は増加する。触媒温度は、時刻ｔ２近傍において下限値以上となるため、その後のＮＯｘ排出量は低下する。
これに対して実施例では、時刻ｔ１において走行モータ６によるアシストが開始されて、時刻ｔ４までエンジントルクが比較例よりも低い状態でエンジントルクが一定となるため、触媒温度の上昇率が低下し、かつＮＯｘ発生量は一定となる。そのため、触媒温度が下限値未満であるにもかかわらず、比較例よりもＮＯｘ排出量が低下する。触媒温度は、比較例よりも遅い時刻ｔ３近傍において下限値以上となるため、その後のＮＯｘ排出量は減少する。
時刻ｔ４〜ｔ５にかけては、触媒温度が下限値以上になっているため、走行モータ６によるアシストを停止するので、実施例ではＮＯｘ発生量が増加し、ＮＯｘ排出量が増加する。しかし、触媒温度が下限値以上であるため、ＳＣＲ触媒１７においてＮＯｘは浄化され続けることになる。
このときのディーゼルエンジン５の運転状態の移行は、図６に示すように、実施例では、走行モータ６によるアシストを行うことで、ＨＥＶ１Ａの運転状態が、高負荷領域の中央部に存在するディーゼルエンジン５の排ガス温度が触媒温度を活性化温度域に維持する領域（以下、「最適排ガス温度運転領域」という。）に、比較例よりも長く維持されるようになる。
（２）測定温度ＴがＮＯｘ還元吸蔵触媒の活性化温度の下限値未満であって、かつ要求負荷が低負荷領域にある場合
図８に示すように、ＨＥＶ１Ａへの要求負荷が低負荷領域内の出発点（四角印）から高負荷領域内下部の到着点（丸印）へ上昇する場合を想定する。
図９に示すように、時刻ｔ０〜ｔ１にかけてアクセルが緩やかに踏み込まれた後にアクセル開度が一定になると、比較例ではエンジントルクが時刻ｔ１まで上昇した後に一定となる。そのため、触媒温度は緩やかに上昇し、かつＮＯｘ発生量は増加後に一定となる。しかし、このときの触媒温度は活性化温度の下限値よりも低いため、ＮＯｘの浄化率は低下し、ＨＥＶ１Ａから外気へのＮＯｘ排出量は高いレベルで一定となる。触媒温度は、時刻ｔ４近傍において下限値以上となるため、その後のＮＯｘ排出量は緩やかに低下する。
これに対して実施例では、時刻ｔ１において走行モータ６による発電が開始されてエンジントルクが上昇し続けるため、触媒温度の上昇率が比較例よりも大きくなり、かつＮＯｘ発生量も増加後に比較例よりも高いレベルで一定となる。しかし、触媒温度が比較例よりも早く下限値以上となるため、ＮＯｘ発生量の増加にもかかわらずＮＯｘの浄化率が向上するので、ＮＯｘ排出量は著しく低下する。時刻ｔ２〜ｔ４間で触媒温度が一定になると、ＮＯｘ排出量は比較例よりも低いレベルで一定となる。
時刻ｔ４〜ｔ５にかけて走行モータ６による発電が停止されると、エンジントルクが減少してＮＯｘの発生量が低下するので、ＮＯｘ排出量も低下する。
このときのディーゼルエンジン５の運転状態の移行は、図８に示すように、実施例では、走行モータ６による発電を行うことで、ＨＥＶ１Ａの運転状態が最適排ガス温度運転領域を経由するようになる。
（３）測定温度ＴがＮＯｘ還元吸蔵触媒の活性化温度の上限値超である場合
図１０に示すように、ＨＥＶ１Ａへの要求負荷が最適排ガス温度運転領域内の出発点（四角印）から到着点（丸印）へ移行する場合を想定する。
図１１に示すように、時刻ｔ０〜ｔ１にかけて一定走行を行い、その後にアクセルが踏み込まれると、比較例ではエンジントルクが時刻ｔ１後に上昇するに伴って触媒温度が上昇し、かつＮＯｘ発生量が増加する。しかし、このときの触媒温度は活性化温度の上限値よりも高いため、ＮＯｘの浄化率は低くなり、ＨＥＶ１Ａから外気へのＮＯｘ排出量は増加する。触媒温度は、時刻ｔ２以降は上昇が抑えられるため、その後のＮＯｘ排出量は一定となる。
これに対して実施例では、時刻ｔ１において走行モータ６によるアシストが開始されてエンジントルクは一定のままとなるため、触媒温度の上昇が抑えられ、かつＮＯｘ発生量は一定となる。また、触媒温度が上限値を大きく超えることを防止できるので、ＮＯｘの浄化率を維持することができるため、比較例のようにＮＯｘ排出量が増加するのを回避できる。
時刻ｔ４〜ｔ５にかけてアクセルが戻されると、要求負荷が時刻ｔ０〜ｔ１のレベルに戻るので、走行モータ６によるアシストを停止する。この状態では、エンジントルクは一定のままで、かつ触媒温度が活性化温度帯にあるため、ＮＯｘ排出量が増加することはない。
このときのディーゼルエンジン５の運転状態は、図１０に示すように、実施例では、走行モータ６によるアシストを行うことで、ＨＥＶ１Ａの運転状態が最適排ガス温度運転領域に、比較例よりも長く維持されるようになる。
１Ａ〜１Ｃ ＨＥＶ
５ ディーゼルエンジン
６ 走行モータ
９ ハイブリッドシステム
１２ モータ用クラッチ
１３ 排気管
１５ 噴射ノズル
１６ 排ガス浄化システム
１７ ＮＯｘ吸蔵還元触媒
１８ 温度センサ
１９ ＥＣＵ

Claims (4)

  1. エンジン及び走行モータの少なくとも一方を駆動源とするハイブリッドシステムと、前記エンジンの排気管に介設されたＮＯｘ吸蔵還元触媒からなる排ガス浄化システムとを備えたハイブリッド電動車両であって、
    前記ハイブリッドシステム及び排ガス浄化システムを制御する制御手段は、
    前記ハイブリッド電動車両の運転に必要な負荷が予め設定された高負荷領域にあって、かつ前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が該ＮＯｘ吸蔵還元触媒の活性化温度の下限値よりも低いときは、前記エンジンの駆動力の一部を前記走行モータの駆動力で代替させて、前記ハイブリッド電動車両の運転状態を、前記高負荷領域のうち、エンジントルクの大きさで当該高負荷領域を区分した場合の中央部に存在し、かつ前記エンジンの排ガス温度が前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を活性化温度域に維持する領域である最適排ガス温度運転領域において一定にし、
    前記ハイブリッド電動車両の運転に必要な負荷が、予め設定された低負荷領域にあって、かつ前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が前記下限値よりも低いときは、前記エンジンの駆動力の一部により前記走行モータを駆動して発電させ、
    前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が該ＮＯｘ吸蔵還元触媒の活性化温度の上限値よりも高いときは、前記エンジンの駆動力の一部を前記走行モータの駆動力で代替させることを特徴とするハイブリッド電動車両。
  2. 前記制御手段は、前記ハイブリッド電動車両の運転状態を前記最適排ガス温度運転領域の状態にしているときに前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が前記下限値以上になった場合には、前記エンジンの駆動力の一部を前記走行モータの駆動力で代替させることを停止することで、エンジントルクを増加させて、前記ハイブリッド電動車両の運転状態を前記最適排ガス温度運転領域の状態よりもエンジントルクの高い高負荷領域の状態へ移行させる請求項１に記載のハイブリッド電動車両。
  3. 前記制御手段は、前記高負荷領域にあって、かつ前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が前記下限値よりも低いときに前記エンジンの駆動力の一部を前記走行モータの駆動力で代替させる際には、前記エンジンの駆動力の一部を前記走行モータの駆動力で代替させることを開始したときのエンジントルクを、前記エンジンの駆動力の一部を前記走行モータの駆動
    力で代替させることを終了するまで維持する請求項１又は２に記載のハイブリッド電動車両。
  4. 前記制御手段は、前記低負荷領域にあって、かつ前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が前記下限値よりも低いときは、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が前記下限値以上になるまで、前記エンジンの駆動力の一部により前記走行モータを駆動して発電させる請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド電動車両。
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