JP2008213720A - ハイブリッド自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のハイブリッド自動車が最も燃料を大きく消費する車両発進時の制御を改良して、利用する液体燃料の消費量を低減する。
【解決手段】車両の発進時に内燃機関に供給する燃料を実質的に遮断状態に制御して、車両発進に必要なエネルギをほとんど全て車載のハイブリッド用電池から供給するように制御する。車両発進直後の加速期間にわたり、クラッチを滑り状態に制御して、燃料供給を停止（またはほとんど停止）させている内燃機関を車両の加速とともに低い回転速度で連れ回す。これにより内燃機関により駆動される各種補機を作動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関および電動発電機を備えるハイブリッド自動車の内燃機関制御に関する。本発明は、ハイブリッド自動車が電動力により走行中に、内燃機関に供給する燃料を実質的に遮断して燃料消費量を経済化するための改良に関する。

ハイブリッド自動車が、その電動発電機を電動機または発電機として制御することにより、車両を加速または減速させるときには、燃料消費量を経済化するために内燃機関に供給する燃料を絞り、理想的には燃料供給量を零とすることが望ましい。しかし実用的なハイブリッド自動車は、電動発電機が車両の加速または減速に主動的に係わる状態であっても、内燃機関に対する供給燃料を遮断して回転を完全に停止させると、内燃機関の回転軸に連結された油圧ポンプ、あるいは冷房装置などの各種補機が回転を停止することになる。したがって、内燃機関に供給する燃料を長い時間にわたり零に制御することはできない。このため、内燃機関がガソリン機関である場合にもディーゼル機関である場合にも、電動発電機が相応の長い時間にわたり継続的に電動機として作用しているときには、内燃機関を始動させて、補機に対する回転動力を維持するように制御される装置が多く利用されている。このように、内燃機関が車両走行に必要な動力以外の動力を供給するために運転されることは、走行距離あたりの燃料消費量を大きくする原因となることは避けられない。

従来例装置として、内燃機関が直接車両走行に係わらないときにも、内燃機関をひきつづき回転させているものの、複数気筒（シリンダ）のうちの一部のみを有効化して、その回転を維持するように構成された装置も知られている。

特開２００４−０６０４９８号公報

本発明は、これを改良する発明であって、車両の走行中に回転動力を供給する必要のある装置に対しては、車両の走行動力を利用してその回転動力を供給するための装置を提供することを目的とする。本発明は、車両の走行中に回転動力を供給する必要のある装置に対して、燃料を供給することなく回転動力を供給することができる装置を提供することを目的とする。本発明は、ハイブリッド自動車のさらなる燃料消費量の経済化をはかることを目的とする。

本発明は、ハイブリッド自動車が電気動力を利用して加速するときに、その内燃機関に対して燃料供給を実質的に遮断して、内燃機関が動力源となることを禁止するとともに、自動制御装置によりクラッチを半クラッチの状態に制御して、内燃機関が車両の走行動力から回転力を得て（連れ回されることにより）、内燃機関により回転駆動される一つまたは複数の補機が所定の回転速度を維持することができるように制御することを特徴とする。

すなわち本発明は、内燃機関（１）の出力軸にクラッチ（６）を備え、このクラッチ（６）の出力軸が電動発電機（７）の回転軸および変速機（３）の入力軸に連結されたハイブリッド自動車において、車両が前記電動発電機（７）を電動機として作用させる車両加速時に、前記内燃機関（１）に供給する燃料を実質的に遮断（もしくはほとんど遮断）の状態に制御するとともに、前記内燃機関（１）が（前記電動発電機により駆動されて）所定範囲の低速回転速度に維持されるように前記クラッチ（６）の開度を半クラッチの状態に制御する手段を備えたことを特徴とする（請求項１）。上記括弧内の数字は後から説明する実施例図面の符号に対応する。

前記クラッチ（６）はクラッチの摩耗を小さくするために湿式クラッチであることが望ましい（請求項２）。

前記所定範囲の低速回転速度はアイドリング時の回転速度にほぼ等しく設定することができる（請求項３）。

前記所定範囲の低速回転速度は、その内燃機関の回転軸により駆動される補機がその時点で必要な各機能を維持することができる最低速度に近似する速度とすることができる（請求項４）。

本発明の構成では、ハイブリッド自動車が内燃機関から走行動力を供給していない状態にあるときに、内燃機関は回転しているものの、内燃機関の回転軸から動力を得る補機を駆動するために必要なエネルギは燃料から供給されていない。このとき補機を駆動するためのエネルギは、電動機として作用している電動発電機から供給されている。この電動発電機から供給されるエネルギは、車両が加速中であるなら電動発電機を駆動するハイブリッド車両用電池に蓄積されたエネルギであり、車両が慣性により走行中または下り坂を走行中であるなら、その車両の走行に係る運動エネルギである。

ハイブリッド車両用電池に蓄積されたエネルギは、主として車両の制動時に回生されたエネルギであり、本発明により内燃機関を低い回転速度で連れ回しても、燃料から得られるエネルギを直接利用していない。したがって本発明の構成では、補機を駆動するために直接燃料を消費することにならない。

しかし本発明の構成では、実質的にハイブリッド車両用電池に蓄積された電気エネルギにより、燃料供給が行われていない内燃機関を連れ回すのであるから、内燃機関のフリクションの分だけハイブリッド車両用電池に余分な負荷がかかることになる。しかし本発明の構成では、クラッチの自動開閉制御により、連れ回される内燃機関の回転速度を必要最低限に制御することができるから、内燃機関を連れ回すための負荷を可能な限り小さくするように設計し制御することができる。

（実施例）
具体的な実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明する。はじめに本発明を実施するハイブリッド自動車の内燃機関に係る構造要部を説明する。図１は本発明実施例ハイブリッド自動車について、その動力系を説明するブロック構成図である。内燃機関１の出力軸はクラッチ・ユニット２を介して、変速機３の入力軸に連結され、変速機３の出力軸は差動歯車４の入力軸に連結されている。差動歯車４の出力軸は両側の車輪５の駆動軸に連結されている。内燃機関１にはスタータ９が設けられている。

ここでクラッチ・ユニット２の内部には、その入力軸が内燃機関出力軸に連結されたクラッチ６、このクラッチ６の出力軸に連結された電動発電機７、およびこのクラッチ６を開閉制御する油圧駆動系１０を備えている。このクラッチ６は運転者により直接的に開閉操作される構造ではなく、上記油圧駆動系１０は電子回路により構成されたクラッチ制御回路１６から電気信号を利用して制御される構造になっている。電動発電機７は三相交流に対応する同期回転機の形態である。電動発電機７はクラッチ６の出力軸に固着されて回転する回転子７ａ、およびクラッチ・ユニット２のフレーム内側に固定的に取り付けられた固定子７ｂを含む。

この電動発電機７は、固定子７ｂに供給される三相交流電流により回転軸の軸まわりに発生する回転磁界に同期して、回転子７ａが機械的に回転する。この構造はよく知られているのでその動作を簡単に説明すると、固定子７ｂの巻線に供給される三相交流により発生する界磁の位相回転速度が、回転子７ａの機械的な回転速度より大きいときに、この電動発電機７は電動機として作用する。そのときバッテリ１２から直流電流により電気エネルギが供給される。この直流電流はインバータ１１により三相交流に変換され、電動発電機７の固定子７ｂに供給される。

固定子７ｂの巻線に供給される三相交流により発生する界磁の位相回転速度が、回転子７ａの機械的な回転速度より小さいときには、この電動発電機７は発電機として作用する。このとき変速機３を介して供給される機械エネルギは、電動発電機７により電気エネルギに変換され、インバータ１１により直流電流に変換されてバッテリ１２を充電する。電動発電機７の固定子７ｂに供給される電流の位相回転速度が、回転子７ａの機械的な回転速度と等しいときには、この電動発電機７は負荷も駆動力も発生しない実質的な空転状態になる。

この電動発電機７の固定子巻線はインバータ１１の三相交流端子に接続されている。インバータ１１の直流端子にはハイブリッド用のバッテリ１２が接続されている。このインバータ１１の制御系は、ハイブリッド制御回路１３およびエンジン制御回路１４と制御ネットワーク（ＣＡＮ）により連結されている。エンジン制御回路１４は内燃機関１の回転にしたがってその燃料噴射量を制御する。変速機３は変速機制御回路（図外）により電気的に制御される。この変速機３は自動制御される装置であるが、変速機３の構造および制御についてはよく知られているので、ここでは詳しい説明を省略する。

この装置では、内燃機関１の出力はクラッチ６を介して、変速機３の入力軸を駆動するとともに、このクラッチ６の出力軸には電動発電機７の回転子が固定的に連結されている。変速機３の入力軸および出力軸の回転情報はそれぞれ変速機制御回路１５に取込まれている。したがって、ハイブリッド制御回路１３は、インバータ１１により制御される電動発電機７の固定子７ｂに供給する三相交流の位相にしたがって、電動発電機７の回転子の回転を駆動加速し、もしくは制動減速させるように制御することができる。電動発電機７が電動機として作用するときには、バッテリ１２から供給される電気エネルギは、インバータ１１により三相交流電流に変換され、電動発電機７の電機子を回転加速する。電動発電機７が発電機として作用するときには、変速機３の入力軸により駆動される電動発電機７の回転子の回転は制動状態になり、これにより電動発電機７の固定子巻線に三相交流電流が発生し、インバータ１１を介して直流電流に変換されてバッテリ１２を充電する。

ここで本発明の課題は上記説明のように、このハイブリッド車両の走行に伴う燃料消費量をさらに経済化することにある。本願発明者が着目したところは、このクラッチ６の制御タイミングおよび内燃機関１に対する燃料供給の制御である。すなわち従来例装置で最も燃料供給量が大きくなるのは車両の発進加速時である。バッテリ１２の性能に余裕があるならば、発進加速時には内燃機関１に供給する燃料を遮断し、電動発電機７が電動機として作用するように運転することが最も望ましい。しかしこのときクラッチ６を断状態に制御すると、内燃機関１により駆動されている複数の補機が作動しなくなる。

すなわち内燃機関１にはこの図１に図示されていない補機が多数連結されている。これは車種によりさまざまであるが、例示すると、圧搾空気用の回転ポンプ、油圧供給用のポンプ、車両内のユーティリティに電源電流を供給する発電機、室内冷暖房装置、その他である。これらの補機は車両の走行中は相応に継続的に運転しなければならないから、内燃機関１を長時間にわたりその回転を停止させるように制御することはできない。内燃機関１が車軸を駆動する駆動出力を発生していない状態、いわゆるアイドリング状態でも、内燃機関１が回転しているかぎり、これらの補機はその出力回転動力の負荷となっている。

本願発明者は、この内燃機関１により回転駆動されている各種補機を駆動するために、かなりのエネルギが無駄に消費されている点に着目した。たとえば車両が下り坂を走行中であって、電動発電機７が発電機として作用するように制御されているときでも、内燃機関１の回転軸により駆動されている補機を回転させておくために、内燃機関１の回転を相応に維持しなければならない。すなわち従来例構造のハイブリッド車両では、制動発電のモードにあるときでも内燃機関１に燃料を供給しなければならない。内燃機関１に燃料を供給しないように制御するなら、クラッチ６を閉じた状態に維持して内燃機関１を連れ回さなければならない。これは、その時点の変速機３に設定されているギヤの状態に応じて、これにより燃料供給がほとんど行われていない内燃機関１の回転動力を供給するために、電動発電機７で本来回生することができるエネルギを小さくしていることになる。

これを解決するため本願発明者は、内燃機関１が実質的に走行動力としての回転出力を供給する必要がないときには、内燃機関１に供給する燃料を遮断（またはきわめて小さく制御）するとともに、クラッチ６を滑り状態にして、内燃機関１に固定的に連結された補機には、それが回転するに十分な程度の小さい回転力を供給することを考えた。すなわちこれらの補機は、内燃機関１により駆動されているといえども、かならずしも内燃機関１の出力の標準的な回転速度で駆動する必要はなく、いわゆるアイドリング速度またはそれ以下の速度で駆動することにより、ほとんど問題なく作動させることができる。

図２を参照してこれを説明する。図２は横軸に時間の経過をとり、縦軸に内燃機関１の回転速度をとり、さらにその横軸に示す時間に対応して、内燃機関の状態、電動発電機７の制御モード、およびクラッチ６の制御状態を図示する。この図２は車両が発進する前後の状態を示す。時刻ｔ₀では車両は停止状態にあり、内燃機関１はアイドル待機状態（アイドリング状態）にある。すなわち内燃機関１の負荷が小さく、燃料供給が絞られて回転が維持できるだけの燃料が供給されている。クラッチ６は断の状態にある。

車両を発進させるための運転操作が行われ、アクセル・ペダルが踏み込まれるとともに、時刻ｔ₁から電動発電機７の制御モードを電動機モード（ＥＶモード）にして回転速度を上昇させる。電動発電機７の回転速度が内燃機関１の回転速度に一致する時刻ｔ₂で、クラッチ６は「半クラッチ」の状態に制御され車両は発進する。

このとき本発明の装置では、連動して内燃機関１に供給する燃料を「無噴射」の状態に制御するとともに、内燃機関１の出力回転軸に連結されているクラッチ６を「断」から「半クラッチ」の状態に制御する。これにより内燃機関１は回転負荷となり、電動機モードにある電動発電機７により連れ回されながら車両が加速されることになる。しかしクラッチ６はいわゆる「半クラッチ」の滑る状態であって、内燃機関１の回転速度がほぼアイドリング時の回転速度を維持するように制御される。車両は電動発電機の回転により加速される。発進加速がほぼ終了した時刻ｔ₃で、内燃機関１に対して燃料噴射を開始するとともにクラッチ６を「接」に制御する。以降、内燃機関１に対して電動発電機７が補助動力を供給するアシスト走行の状態に入る。

図３にこの制御状態をフローチャートとして示す。

このように車両の発進加速を制御することにより、車速が零の状態から発進加速が実行され、内燃機関の出力軸に設けたクラッチが「閉」に制御され滑る状態になったときから、適当な速度（例、４０〜６０ｋｍ／ｈ）に達するまで、内燃機関に燃料を供給することなく、その回転を内燃機関に連結されている補機が作動することができる回転速度に維持する。このような制御により、車両加速に必要なエネルギおよび内燃機関のフリクションに相当する負荷は、すべて電動機として作用する電動発電機から供給されることになる。そしてこの間にわたり、燃料はいっさい消費されない。車両の発進に必要なエネルギのすべてと、内燃機関を回転起動させるに必要なエネルギのすべてをハイブリッド用バッテリ１２に蓄積されている電気エネルギから供給することになる。このような動作により、車両の発進時に必要なエネルギの大部分もしくはすべてが、ハイブリッド用のバッテリ１２から供給されることになるとともに、内燃機関１の回転は、この電動機として作用している電動発電機７から供給されることになる。

このように発進時にクラッチを滑る状態に制御して最も燃料消費量を低減するように説明したが、上記本発明の特有な制御は、発進加速時に限らず、車両を加速する燃料消費量の大きい時に利用することにより、さらに走行距離あたりの消費燃料を経済化することができる。

上記のような発進制御をひんぱんに、あるいは定常的に繰り返し実行し、走行燃料をさらに経済化するためには、車載の電池容量を現在の仕様よりさらに大きい装置を利用することが有利である。現状では電池の価格が大きく、試験を行うことはできるが実用車両に実施するには、なお電池価格が適当な価格になるまで待つことになるだろう。しかし現実に、重量あたりの充電容量がきわめて大きい電池が開発されつつあり、そのような電池が適当な価格でハイブリッド車両に搭載することができるようになることは、きわめて可能性が高く、またそれほど先のことではないものと認識する。

本発明を実施するハイブリッド自動車のブロック構成図。 本発明実施例装置の制御を説明するタイムチャート。 本発明実施例装置の発進時の制御を説明するフローチャート。

符号の説明

１ 内燃機関
２ クラッチ・ユニット
３ 変速機
４ 差動歯車
５ 車輪
６ クラッチ
７ 電動発電機
７ａ 回転子
７ｂ 固定子
８ （機械式）油圧ポンプ
９ スタータ
１０ 油圧駆動系
１１ インバータ
１２ バッテリ
１３ ハイブリッド制御回路
１４ エンジン制御回路
１５ 変速機制御回路
１６ クラッチ制御回路

Claims (4)

1. 内燃機関（１）の出力軸にクラッチ（６）を備え、このクラッチ（６）の出力軸が電動発電機（７）の回転軸および変速機（３）の入力軸に連結されたハイブリッド自動車において、
   車両が前記電動発電機（７）を電動機として作用させる車両加速時に前記内燃機関（１）に供給する燃料を遮断の状態に制御する手段と、
   前記内燃機関（１）が所定範囲の低速回転速度に維持されるように前記クラッチ（６）の開度を半クラッチの状態に自動制御する手段と
   を備えたことを特徴とするハイブリッド自動車。
2. 前記クラッチ（６）は湿式クラッチである請求項１記載のハイブリッド自動車。
3. 前記所定範囲の低速回転速度はアイドリング時の回転速度にほぼ等しい請求項１記載のハイブリッド自動車。
4. 前記所定範囲の低速回転速度は、その内燃機関の回転軸により駆動される複数の補機がその時点で必要な各機能を維持することができる速度である請求項１記載のハイブリッド自動車。

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