JP6790984B2 - ハイブリッド車両 - Google Patents

Description

本発明は電動モータと、リーン燃焼とストイキ燃焼との間で燃焼モードを切り替え可能な内燃機関とが搭載されたハイブリッド車両に関するものである。

目標空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定したリーン燃焼モードと、目標空燃比を理論空燃比又は理論空燃比の近傍に設定したストイキ燃焼モードとの間で、燃焼モードを選択可能な内燃機関が知られている。

特許文献１には、このような燃焼モードが選択可能な内燃機関と、電動モータとを搭載するハイブリッド車両が開示されている。特許文献１のハイブリッド車両では、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの燃焼モードの切り替え時には、エンジンのトルクと電動モータのトルクとを合計した合計トルクが一定となるように、電動モータのトルクを増加させてエンジントルクを低下させた後、燃焼モードの切り替えが実行される。

特開２００８−０６８８０２号公報 特開２０１５−１４７４３０号公報

特許文献１の制御は、燃焼モード切り替え時に、合計トルクに占めるエンジントルクの割合を低下させることにより、燃焼モードの切り替え時に生じうるトルク段差の抑制を図るものである。しかし特許文献１の制御において、電池の充電量が不足している場合、燃焼モードの切り替え時に電動モータのトルクを増加させることができないため、燃焼モードの切り替え時のトルク段差やＮ／Ｖが大きくなる。この点、特許文献１の燃焼モードの切り替え制御には改善の余地が残る。

本発明は、以上の課題を解決することを目的として、電池の充電量に応じて燃焼モードの切り替え時の制御を行うことで、燃焼モードの切り替え時におけるトルク段差の発生を低減することができるように改良されたハイブリッド車両を提供するものである。

上記の目的を達成するため、本発明のハイブリッド車両は、以下の構成を有する。即ち、ハイブリッド車両は、内燃機関と電動モータと電池と制御装置とを備える。内燃機関は、目標空燃比が理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比に設定されたリーン燃焼モードと、目標空燃比が理論空燃比又は理論空燃比近傍のストイキ空燃比に設定されたストイキ燃焼モードとの間で、燃焼モードを選択可能に構成されている。電動モータには、電池による電力が供給される。制御装置は、リーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間の燃焼モードの切り替えを制御する。

制御装置は、更に、以下のように構成されている。即ち、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの切り替え時に、第１切替制御、第２切替制御、及び、第３切替制御のいずれかを実行する。

第１切替制御は、電池の充電量が第１基準量を超える場合に実行される。第１切替制御は、内燃機関のトルクと電動モータのトルクとの合計が、要求トルクと一致するように、内燃機関のトルクを低下させて電動モータのトルクを増加させた後、内燃機関の目標空燃比をストイキ空燃比に切り替え、目標空燃比の切り替え実行後に、内燃機関のトルクと電動モータのトルクとの合計が、要求トルクと一致するように、前記電動モータを回生制御することなく電動モータのトルクを調整する制御である。

第２切替制御は、電池の充電量が第１基準量以下であり、かつ、第１基準量より小さな第２基準量を超える場合に実行される。第２切替制御は、内燃機関のトルクと電動モータのトルクとの合計が、要求トルクと一致するように、内燃機関のトルクを低下させて電動モータのトルクを増加させた後、内燃機関の目標空燃比をストイキ空燃比に切り替え、目標空燃比の切り替え実行後に、内燃機関のトルクと電動モータのトルクとの合計が、要求トルクと一致するように、少なくとも一部は電動モータを回生制御して前記電動モータのトルクを調整する制御である。

第３切替制御は、電池の充電量が第２基準量以下である場合に実行される。第３切替制御は、前記内燃機関のトルクを低下させる制御及び前記電動モータのトルクを増加させる制御を行うことなく、内燃機関の目標空燃比をストイキ空燃比に切り替え、目標空燃比の切り替え実行後に、内燃機関のトルクと電動モータのトルクとの合計が、要求トルクと一致するように、少なくとも一部は電動モータを回生制御して前記電動モータのトルクを調整する制御である。

本発明によれば、燃焼モードの切り替え制御のパターンが、電池の充電量に応じて適宜選択される。これにより燃焼モードの切り替え制御時におけるトルク段差の発生やＮ／Ｖ増大化を低減することができる。

本発明の実施の形態において選択される燃焼モードそれぞれの運転領域について説明するための図である。 通常時のエンジンの燃焼モードの切り替え制御について説明するためのタイミングチャートである。 通常時のエンジンの燃焼モードの切り替え制御において切り替えられる吸気バルブの閉弁時期について説明するための図である。 本発明の実施の形態における燃焼モードの切り替え制御について説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態における燃焼モードの切り替え制御について説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態における燃焼モードの切り替え制御について説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態に係る制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

本発明の実施の形態のハイブリッド車両には、内燃機関（以下「エンジン」と称する）と電動モータ（以下、「ＭＧ」とも称する）とが搭載されている。ＭＧの回転軸はエンジンの出力軸に接続されている。エンジンの出力軸トルク（以下「エンジントルク」と称する）及び電動モータの出力軸トルク（以下「ＭＧトルク」と称する）とは、動力伝達機構を介して駆動軸に伝達される。ＭＧは、発電機としても機能し、エンジン又は車両により駆動され回生発電することができる。なお、ハイブリッド車両は、発電機として機能するＭＧが複数搭載された構成であってもよい。

エンジンは、目標空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定されたリーン燃焼モードと、目標空燃比が理論空燃比又は理論空燃比近傍に設定されたストイキ燃焼モードとの間で、燃焼モードを選択可能に構成されている。ここで燃焼モードとは、エンジンの燃焼を決定する要因の組み合わせによって特定されるエンジンの運転方式であり、燃焼モードを選択するとは、それらの組み合わせのうち予め定義された複数の選択肢の中から何れか一つを選択することを意味する。なお、リーン燃焼モードにおける燃焼形態は、圧縮着火、火花点火のいずれであってもよい。

図１は、本実施の形態において選択される燃焼モードそれぞれの運転領域について説明するための図である。図１に示されるように、リーン燃焼モードが選択される運転領域とストイキ燃焼モードが選択される運転領域とは、エンジン回転速度と負荷（又は、要求トルク）により定められる。リーン燃焼モードは、ストイキ燃焼モードに比べ、低負荷側かつ低回転速度側の運転領域で選択される。

またエンジンの各気筒の吸気バルブそれぞれに対応して、作用角の異なる２つのカムが設置されている。エンジンには各カムの作用角、位相、及びリフト量のうち、いずれか１つ以上を不連続に変化させることができるカム切替機構が備えられている。

本実施の形態のハイブリッド車両には、制御装置が搭載されている。制御装置には、ハイブリッド車両が備える各種のセンサ及びアクチュエータが電気的に接続されている。制御装置は、少なくともＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されている。ＲＯＭには、後述する燃焼モードの切り替えのルーチンを含む各種制御ルーチンが記憶されている。制御装置は、各センサからの信号に基づいて各アクチュエータを操作することによってハイブリッド車両を制御する。

本実施の形態において制御装置は、エンジンの燃焼モードの切り替えを制御する。図２は、通常時の燃焼モードの切り替えの制御について説明するためのタイミングチャートである。ここで「通常時」とは少なくともカム切替機構の故障が検知されておらず、内燃機関が、正常に燃焼モードの切り替え制御が実行できる状態にあることを意味する。

図２に示されるように、通常時の制御により、燃焼モードがリーン燃焼モードからリッチ燃焼モードに切り替えられる場合、まず時点ｔ１において、目標空燃比Ａ/Ｆがリーン燃焼モードにおけるリーン空燃比（以下、単に「リーン」と称する）から、ストイキ燃焼モードにおける理論空燃比又はその近傍の空燃比（以下、単に「ストイキ」と称する）に変更される。

時点ｔ１では、目標空燃比の切り替えと同時に、吸気バルブのカムがカム１からカム２に切り替えられる。図３は、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードに切り替える際の、吸気バルブの閉弁時期を説明するための図である。図３に示されるように、燃焼モード切り替えの際には、吸気バルブの閉弁時期はＩＶＣ１から、ＩＶＣ２に変更される。閉弁時期の切り替えは、吸気バルブを開閉するカムを、カム１からカム２に切り替えることで実行される。

時点ｔ１では、吸気カムの切り替えとともに、スロットルバルブが閉弁制御される。これにより、切り替え時の空気量を直ちに減少させることができ、目標空燃比の切り替えに伴うトルク段差の発生を抑制することができる。その後、スロットルバルブ及びウェイストゲートバルブが開側へ制御され燃焼モードの切り替えが完了する。

しかし、カム切替機構の故障によって、カムの切り替えが不可能になった場合には、以上の燃焼モードの切り替え制御によってトルク段差を抑制することはできなくなる。従って、本実施の形態では、カム切り替え機構の故障検知時には、電池の充電量に応じて、以下のパターン１から３のうちいずれかの燃焼モードの切り替え制御を選択して、燃焼モードの切り替えを実行する。

（パターン１（第１切替制御））
パターン１の切り替え制御は、電池のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が十分に大きく、ＭＧによるアシストを最大限に実行できる場合に選択される。図４は、パターン１の燃焼モードの切り替え制御について説明するためのタイミングチャートである。

パターン１の燃焼モードの切り替え制御では、図４に示されるように、時点ｔ１においては目標空燃比Ａ/Ｆがリーンに維持された状態で、スロットルバルブの閉弁制御とウェイストゲートバルブの開弁制御とが実行される。これにより空気量は減少し、エンジントルクは低下する。

同時に、時点ｔ１では、ＭＧの制御により、ＭＧトルクを増大させ、エンジントルクとＭＧトルクとの合計であるユニットトルクが、要求トルクと一致するように制御する。

ＭＧトルクが第１の所定値まで増加した時点ｔ２において、目標空燃比がリーンからストイキに切り替えられる。ＭＧトルクを増加させる制御においては、ＭＧトルクの正負が切り替わらないことが歯打ち音抑制の観点で重要なので、第１の所定値は、ＭＧトルクの上限値と目標空燃比の切り替えにより生じるトルク段差との間で、定められる。

時点ｔ２において、目標空燃比の切り替えが実行されると、エンジントルクが増加する。時点ｔ２以降は、エンジントルクが所望のエンジントルクに達するように、スロットルバルブとウェイストゲートバルブの開度の制御が開始され、空気量を増大させる。また時点ｔ２以降、エンジントルクが所望のエンジントルクに達するまでは、ＭＧの制御によりＭＧトルクを減少させることで、増加したエンジントルク分を吸収して、ユニットトルクが要求トルクと一致した状態を維持する。

パターン１の制御によれば、ＭＧトルクを減少させることで、エンジントルク段差が吸収される。このパターンでは、燃焼モード切り替え前に、空気量を最大限に減少させてエンジントルクを最大限に低下させる。従って、目標空燃比の切り替え時のエンジントルクの急変が最も小さく、ＭＧトルクが正負で切り替わらないため、振動及び騒音発生を効果的に抑制することができる。

（パターン２（第２切替制御））
ＳＯＣが十分ではなく、ＭＧによるアシストが十分に確保できない場合に選択される。パターン２の切り替え制御は、パターン１の切り替え制御が選択できない場合に選択される制御である。

図５はパターン２の燃焼モードの切り替え制御について説明するためのタイミングチャートである。図５に示されるように、パターン２の燃焼モードの切り替え制御では、まず燃焼モード切り替え開始の時点ｔ１では、目標空燃比Ａ/Ｆがリーンに維持された状態で、スロットルバルブの閉弁制御と、ウェイストゲートバルブの開弁制御とが実行される。これにより、空気量が減少しエンジントルクが低下する。ＭＧの制御により、エンジントルクとＭＧトルクとの合計であるユニットトルクが要求トルクと一致するように、ＭＧトルクを増加させる。

ＭＧトルクが第２の所定値まで増加した時点ｔ２において、目標空燃比がリーンからストイキに切り替えられる。第２の所定値は、目標空燃比を切り替える時点ｔ２におけるエンジントルク急変を抑制する観点から、パターン２の切り替え制御開始時のＳＯＣで可能なＭＧトルクの範囲の最大値に設定する。

時点ｔ２において目標空燃比の切り替えが実行されると、エンジントルクが増大する。時点ｔ２以降、エンジントルクが所望のエンジントルクとなるように、スロットルバルブ及びウェイストゲートバルブを制御して空気量を増大させる。時点ｔ２以降、エンジントルクが所望のエンジントルクとなり燃焼モードの切り替え制御が完了するまでの間の余剰エンジントルクは、ＭＧを回生制御することで吸収する。これにより時点ｔ２以降も、ユニットトルクが要求トルクと一致させる。

パターン２の制御によれば、目標空燃比の切り替え前にエンジントルクを低下させることができるため、パターン１と同様に、エンジントルクの急変を抑制することができる。ただし、目標空燃比の切り替えと同時に、ＭＧは回生制御に切り替えられるため、ＭＧトルクの正負が切り替わる。従って、歯打ち音が発生することがあり、騒音抑制の観点からはパターン１よりも不利な制御となる。従って、パターン２の切り替え制御は、パターン１を選択できない場合にのみ選択する制御とする。

（パターン３（第３切替制御））
パターン３は、ＳＯＣの充電量が小さく、燃焼モード切り替え時にＭＧトルクによるアシストを増加できない場合に選択される。即ち、パターン３の切り替え制御は、パターン１及びパターン２の切り替え制御が選択できない場合に選択させる制御である。

図６は、パターン３の燃焼モードの切り替え制御について説明するためのタイミングチャートである。パターン３の燃焼モードの切り替え制御では、燃焼モードの切り替え開始の時点ｔ１において、目標空燃比がリーンからストイキに切り替えられる。目標空燃比の切り替え前のエンジントルクを低下させる制御は実行されない。

時点ｔ１において、目標空燃比が切り替えられると、エンジントルクが増大する。時点ｔ１以降、ウェイストゲートバルブの開弁制御により、所望のエンジントルクとなるように、空気量が制御される。時点ｔ１以降、エンジントルクが所望のエンジントルクとなり燃焼モードの切り替えが完了するまで、ユニットトルクが要求トルクと一致するようにＭＧを回生制御し、余剰エンジントルク分を吸収する。

パターン３の切り替え制御によれば、カム切替機構の故障検知時にも燃焼モードの切り替えが可能となる。しかし、目標空燃比の切り替え時のエンジントルクの増加量は、パターン１〜３の切り替え制御の中で最も大きく、振動及び騒音抑制の観点では、パターン１及びパターン２よりも不利な制御といえる。従って、パターン３の切り替え制御は、パターン１及びパターン２を選択できない場合にのみ実行する。

パターン１〜パターン３のいずれの切り替え制御を選択するかの判断は、電池の充電量に基づいて実行される。より具体的には、電池の充電量を示す指標としてＳＯＣを用い、ＳＯＣが第１基準値Ａより大きい場合にはパターン１、ＳＯＣが第１基準値Ａ以下かつ第２基準値Ｂより大きい場合にはパターン２、ＳＯＣが第２基準値Ｂ以下の場合にはパターン３が選択される。具体的な値は、実験やシミュレーション結果等に基づき適宜設定されるものであるが、一例として、パターン１の制御を実行するための閾値となる第１基準値Ａは６０％程度、パターン２の実行するための閾値となる第２基準値Ｂは２０％程度の値が挙げられる。

図７は、本発明の実施の形態において制御装置が実行する制御ルーチンについて説明するためのフローチャートである。図７のルーチンでは、まず、ステップＳ１において、現在選択されている燃焼モードが、リーン燃焼モードであるか否かが判別される。ステップＳ１において、燃焼モードがリーン燃焼モードでないと判別された場合には、今回の処理は一旦終了する。

一方、ステップＳ１において、現在選択されている燃焼モードがリーン燃焼モードであると判別された場合には、ステップＳ２に進み、カム切替機構の故障が検知されたか否かが判別される。カム切替機構の故障検知は、別途設定された制御ルーチンに従って、減速時燃料カット等の所定の条件が満たされた場合に実行される。

ステップＳ２において、カム切替機構の故障が検知されたと判別された場合、次に、ステップＳ３に進み、ＳＯＣが第１基準値Ａより大きな状態で電池が維持されるための制御が実行される。

次に、ステップＳ４において、要求トルクがリーン上限トルクを超えたか否かが判別される。要求トルクがリーン上限トルクを超えないと判別された場合には、燃焼モードの切り替え要求が出されないと判断できるため、今回の処理は終了する。

ステップＳ４において、要求トルクがリーン上限トルクを超えたと判別された場合には、次にＳ５に進み、ＳＯＣが第１基準値Ａより大きいか否かが判別される。ここでＳＯＣが第１基準値Ａより大きいと判別された場合には、ステップＳ６に進み、上記のパターン１が選択されて燃焼モードの切り替え制御が実行される。その後、今回の処理は終了する。

一方、ステップＳ５において、ＳＯＣが第１基準値Ａ以下であると判別された場合、次に、ステップＳ７において、ＳＯＣが第２基準値Ｂより大きいか否かが判別される。

ステップＳ７において、ＳＯＣが第２基準値Ｂより大きいと判別された場合には、ステップＳ８に進み、パターン２が選択されて燃焼モードの切り替え制御が実行される。一方、ステップＳ７において、ＳＯＣが第２基準値Ｂ以下であると判別された場合には、ステップＳ９に進み、パターン３が選択されて燃焼モードの切り替えが実行される。その後、今回の処理は終了する。

また、ステップＳ２において、カム切替機構の故障が検知されていないと判別された場合、次に、ステップＳ１０に進み、要求トルクがリーン上限トルクを超えたか否かが判別される。ステップＳ１０においてリーン上限トルクを超えないと判別された場合には、今回の処理は終了する。

一方、ステップＳ１０において、要求トルクがリーン上限トルクを超えたと判別された場合には、ステップＳ１１に進み、図３により説明したカムの切り替えによる燃焼モードの切り替え制御が実行され、今回の処理は終了する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、カム切替機構の故障検知時に、電池の充電状態に応じて制御のパターンを選択して、燃焼モードの切り替え制御が実行される。これにより、電池の充電状態に応じた可能な範囲でトルク段差の発生を小さく抑えることができる。

なお、以上のパターン１からパターン３の燃焼モードの切り替え制御において、空燃比を切り替える前のＥＧＲ率が高くなく、失火を招かないと判断できる場合には、空燃比の切り替えと同時に、点火時期遅角を行うようにしてもよい。また、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードに移行した後で、再び、負荷及び回転速度に応じて定められたリーン燃焼モードへの切り替え条件が成立した場合に、再度リーン燃焼モードへの切り替え制御が実行される構成とすることもできる。

Claims (1)

1. 目標空燃比が理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比に設定されたリーン燃焼モードと、目標空燃比が理論空燃比又は理論空燃比近傍のストイキ空燃比に設定されたストイキ燃焼モードとの間で、燃焼モードを選択可能に構成された内燃機関と、
   電動モータと、
   前記電動モータに電力を供給する電池と、
   前記リーン燃焼モードと前記ストイキ燃焼モードとの間の燃焼モードの切り替えを制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記リーン燃焼モードから前記ストイキ燃焼モードへの切り替え時に、前記電池の充電量が第１基準量を超える場合には、第１切替制御を実行し、
   前記リーン燃焼モードから前記ストイキ燃焼モードへの切り替え時に、前記電池の充電量が前記第１基準量以下であり、かつ、前記第１基準量より小さな第２基準量を超える場合には、第２切替制御を実行し、
   前記リーン燃焼モードから前記ストイキ燃焼モードへの切り替え時に、前記電池の充電量が前記第２基準量以下である場合には、第３切替制御を実行する、
   ように構成され、
   前記第１切替制御は、前記内燃機関のトルクと前記電動モータのトルクとの合計が、要求トルクと一致するように、前記内燃機関のトルクを低下させて前記電動モータのトルクを増加させた後、前記内燃機関の目標空燃比を前記ストイキ空燃比に切り替え、前記目標空燃比の切り替え実行後に、前記内燃機関のトルクと前記電動モータのトルクとの合計が、要求トルクと一致するように、前記電動モータを回生制御することなく前記電動モータのトルクを調整する制御であり、
   前記第２切替制御は、前記内燃機関のトルクと前記電動モータのトルクとの合計が、要求トルクと一致するように、前記内燃機関のトルクを低下させて前記電動モータのトルクを増加させた後、前記内燃機関の目標空燃比を前記ストイキ空燃比に切り替え、前記目標空燃比の切り替え実行後に、前記内燃機関のトルクと前記電動モータのトルクとの合計が、要求トルクと一致するように、少なくとも一部は前記電動モータを回生制御して前記電動モータのトルクを調整する制御であり、
   前記第３切替制御は、前記内燃機関のトルクを低下させる制御及び前記電動モータのトルクを増加させる制御を行うことなく、前記内燃機関の目標空燃比を前記ストイキ空燃比に切り替え、前記目標空燃比の切り替え実行後に、前記内燃機関のトルクと前記電動モータのトルクとの合計が、要求トルクと一致するように、少なくとも一部は前記電動モータを回生制御して前記電動モータのトルクを調整する制御である、
   ことを特徴とするハイブリッド車両。

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