CN107201939A - 内燃机的发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机的发电系统，包括：涡轮增压器，其能够利用所述内燃机的排气通路上设置的涡轮的转动来实施涡轮增压器发电；发电功率算出部，用于算出对于所述涡轮增压器要求的所述第1发电指示值。所述发电功率算出部根据所述内燃机的运行状态，判定所述涡轮增压器发电的发电功率大于所述涡轮增压器发电引起的所述内燃机的泵气损失的增加量这一大小关系是否成立。所述发电功率算出部在所述大小关系成立时，与所述大小关系不成立时相比，将所述第1发电指示值算出得更大。

Description

内燃机的发电系统
技术领域
本发明涉及内燃机的发电系统。
背景技术
作为发电系统，即，算出具有发电功能的涡轮增压器的发电效率和交流发电机的发电效率，并计算涡轮增压器和交流发电机的各自的发电指示量，使得上述发电效率较高的一方优先承担发电工作(特开2007-327401)。
通过涡轮增压器发电是通过利用内燃机的排气驱动涡轮将其排气能转化为电能，然而，特开2007-327401的发电系统并未考虑到，伴随利用涡轮增压器实施发电，内燃机的泵气损失将会增加。因此，特开2007-327401的发电系统并不一定能够始终选择高效的发电，因而具有改进空间。
发明内容
本发明提供一种内燃机的发电系统，其能够在利用具有发电功能的涡轮增压器进行发电和交流发电机进行发电之间，选择考虑了内燃机的泵气损失的高效的发电。
根据本发明的实施方式的内燃机的发电系统具有：涡轮增压器，其能够利用所述内燃机的排气通路上设置的涡轮的转动，通过实施涡轮增压器发电来进行发电；发电功率算出部，用于算出要求所述涡轮增压器提供的发电功率量即第1发电指示值；发电控制部，其构成为用于根据所述第1发电指示值，使得所述涡轮增压器实施涡轮增压器发电。所述发电功率算出部根据所述内燃机的运行状态，判断所述涡轮增压器发电的发电功率大于所述涡轮增压器发电引起的所述内燃机的泵气损失的增加量这一大小关系是否成立，所述发电功率算出部，在所述大小关系成立时，与所述大小关系不成立时相比，将所述第1发电指示值算出得更大。
根据上述实施方式的发电系统还可以具有交流发电机，其能够利用所述内燃机的输出实施发电，以及要求发电功率算出部，其针对所述内燃机算出要求发电功率。所述发电功率算出部以使得所述涡轮增压器发电和利用所述交流发电机实施的交流发电机发电完成所述要求发电功率的发电的方式，算出所述第1发电指示值和针对所述交流发电机的第2发电指示值，同时，以使得在所述大小关系成立时，与所述大小关系不成立时相比，述第1发电指示值与所述第2发电指示值的比变大的方式，算出所述第1发电指示值和所述第2发电指示值。所述发电控制部根据所述第1发电指示值，使得所述涡轮增压器实施所述涡轮增压器发电，同时，根据所述第2发电指示值，使得所述交流发电机实施所述交流发电机发电。
上述实施方式中，所述发电功率算出部可以构成为以下述方式算出所述第1发电指示值和所述第2发电指示值：即，在所述大小关系成立时，与所述大小关系不成立时相比，所述第1发电指示值相对于通过所述涡轮增压器发电能够进行的发电即第1发电上限值的比例变大，在所述大小关系成立时，与所述大小关系不成立时相比，所述第2发电指示值相对于通过所述交流发电机发电所能够进行的发电即第2发电上限值的比例变小。
当内燃机的运行状态为涡轮增压器发电的发电功率大于其发电引起的内燃机的泵气损失的损失增加量这一大小关系成立的情况下，通过实施涡轮增压器发电能够取得能量收支上的盈余。相反，当处于上述大小关系不成立的运行状态的情况下实施涡轮增压器发电，反而会造成能量收支上的损失而不存在盈余，因此，需要对涡轮增压器发电有所限制。利用根据上述实施方式的发电系统，在上述大小关系成立的情况下，与其不成立的情况下相比，第1发电指示值相对于利用涡轮增压器发电的第1发电上限值的比例变大，并且，第2发电指示值相对于利用交流发电机发电的第2发电上限值的比例变小。换言之，在上述大小关系成立的情况下，相比不成立的情况，涡轮增压器发电的负载率变高，交流发电机发电的负载率变低。这样，考虑了涡轮增压器发电引起的泵气损失的增加，针对内燃机需要的要求发电功率来分配涡轮增压器发电和交流发电机发电的各自的发电功率。从而，能够选择适合内燃机的运行状态的高效的发电方式。
上述实施方式中，所述发电功率算出部可以构成为，在所述大小关系成立时，将所述第1发电上限值作为所述第1发电指示值算出，并且以所述要求发电功率减去所述第1发电上限值后的值作为所述第2发电指示值算出。
根据上述实施方式，上述大小关系成立时，第1发电指示值相对于涡轮增压器发电的第1发电上限值的比例达到最大，仅通过涡轮增压器发电相对于要求发电功率不足的不足部分通过交流发电机发电补偿。
上述实施方式中，所述发电功率算出部也可以构成为，在所述大小关系不成立时，将所述第2发电上限值作为所述第2发电指示值算出，并且将所述要求发电功率减去所述第2发电上限值后的值作为所述第1发电指示值算出。
根据上述实施方式，在上述大小关系不成立的情况下，第2发电指示值相对于交流发电机发电的第2发电上限值的比例达到最大，仅通过交流发电机发电相对于要求发电功率不足的不足部分通过涡轮增压器发电补偿。
上述实施方式中，所述发电功率算出部也可以构成为，在所述第1发电上限值与所述第2发电上限值的总和小于所述要求发电功率时，不论所述大小关系如何，均将所述涡轮增压器发电的所述第1发电上限值作为所述第1发电指示值算出，将所述交流发电的所述第2发电上限值作为所述第2发电指示值算出。
根据上述实施方式，能够尽可能地减少发电功率相对于要求发电功率的不足。
上述实施方式中，所述发电功率算出部也可以构成为，根据所述第1发电上限值是否大于泵气损失增加量，判断所述大小关系是否成立。
上述实施方式中，所述发电功率算出部也可以构成为，利用所述大小关系判定时与所述内燃机的输出分别对应确定的所述第1发电上限值和所述泵气损失增加量，判断所述大小关系。
如上所述，采用根据本发明的发电系统，考虑了涡轮增压器发电引起的泵气损失的增加，针对需要内燃机提供的要求发电功率分配涡轮增压器发电和交流发电机发电的各自的发电功率。从而，能够选择适合内燃机的运行状态的高效的发电方式。
附图说明
图1为示出采用了根据本发明一实施例的发电系统的内燃机的整体结构的图；
图2为示出发电系统的概要的图；
图3为示出图2所示的能量管理部的细节的框图；
图4为示出用于判定能量收支上的盈余的判定图像M的图；
图5为示出本发明一实施方式的控制流程的一个示例的流程图；
图6为示出在涡轮增压器发电的实施引起的能量收支上的盈余存在的情况下发电指示值的算出方法的图；
图7为示出在涡轮增压器发电的实施引起的能量收支上盈余不存在的情况下发电指示值的算出方法的图。
具体实施方式
如图1所示，内燃机1为由4个气缸2排成一列构成的串联4缸型火花点火内燃机，搭载于图中未示出的车辆上。内燃机1上设置具备发电功能的电动机辅助涡轮增压器(MAT)3。MAT3具有涡轮4和压缩机5，连接上述涡轮4和压缩机5的回转轴6上设置充当电动机和发电机的三相交流型电动发电机7。MAT3能够使电动发电机7充当电动机而辅助增压，或者使其充当发电机而将排气能转化为电能。
内燃机1的各个气缸2分别连接有吸气通路10和排气通路11。吸气通路10设有用于过滤吸入空气的空气滤清器12、MAT3的压缩机5、用于冷却压缩机5压缩的空气的中间冷却器13、以及用于调整吸入空气量的节气门14。吸气通路10包括在节气门14的下游处对每个气缸2分支的进气歧管10a。
排气通路11包括用于集合各个气缸2的排气的进气歧管11a，进气歧管11a的下游的集合部分设置MAT3的涡轮4，涡轮4的下游处设置排气净化催化剂16。此外，排气通路11上设置连接MAT3的涡轮4的上游和下游并且绕过涡轮4的旁通通路17。旁通通路17由排气泄压阀18开启和关闭。通过排气泄压阀18调整内燃机1的增压压力。
内燃机1设有能够利用其输出实施发电的交流发电机20。曲轴19的输出通过带式传动机构21传递至交流发电机20。交流发电机20与额定12V的车载电池25电连接。MAT3的电动发电机7与MAT逆变器26交流连接，MAT变频器26与额定42V的MAT电池27连接。车载电池25和MAT电池27通过DC/DC变流器28连接。
内燃机1的控制由作为计算机配置的发动机电子控制装置(发动机ECU)30进行。发动机ECU30进行内燃机1的基本动作控制，包括节气门14的开度控制，以及与其开度控制连动地进行的燃料喷射量控制等，同时，也进行控制交流发电机20的发电功率等内燃机1的辅机控制。此外，发动机ECU30还分别操纵MAT3和排气泄压阀18以进行调整内燃机1的增压压力的增压控制。当然，MAT3的直接控制是由与发动机ECU30可通信连接的MAT电子控制装置(MATECU)31进行的。即，发动机ECU30通过对MATECU31发出各种信息指令而间接地进行MAT3的控制。
MAT3的控制包含使得MAT3的电动发电机7充当电动机的增压辅助控制和使得电动发电机7充当发电机的发电控制。增压辅助控制为，例如为了消除车辆的加速过渡时发生的涡轮迟滞而通过使电动发电机7充当电动机而辅助增压。此外，发电控制为，在关闭排气泄压阀18的状态下，通过使电动发电机7充当发电机而将涡轮4获得的排气能转化为发电电力。
通过MAT3进行的发电(以下称作涡轮增压器发电)和通过交流发电机20进行的发电(以下称作交流发电机发电)在具有图2所示结构的本实施方式的发电系统S中实施。发电系统S包含由发动机ECU30和MATECU31构成的能量管理部40、能量管理部40所控制的MAT3和交流发电机20、用于检测车载电池25和MAT电池27的充电状态的SOC传感器41、以及用于获知图中未示出的车载空调和车灯等的电负载的功率传感器42。
能量管理部40中输入有例如，作为SOC传感器41的输出信号输出的各个电池25、26等的充电状态、由功率传感器42的输出信号所反映的车载装备的功率状态、车辆的行驶状态、以及内燃机1的运行状态等各种信息。能量管理部40根据所输入的各种信息算出要求内燃机1提供的要求发电功率，同时，根据该要求发电功率算出涡轮增压器发电和交流发电机发电的各自的发电功率。然后，能量管理部40控制MAT3和交流发电机20，使其按照算出的各个发电功率分别实施涡轮增压器发电和交流发电机发电。
能量管理部40的细节如图3所示。图中所示的能量管理部40的各个组成部分是通过发动机ECU30和MATECU31执行规定的程序而逻辑配置在它们内部的。
要求发电功率算出部40a参照SOC传感器41和功率传感器42各自的输出信号，获取车载电池25等的充电状态Bsoc和电负载Pl。要求发电功率算出部40a根据获取的充电状态Bsoc和电负载Pl算出针对内燃机1的要求发电功率Tw，并将算出的要求发电功率Tw发送至发电指示值算出部40e。要求发电功率Tw的算出例如可以通过检索预先存储的计算映射表来进行，也可以根据将充电状态Bsoc和电负载Pl作为变量的计算式来进行。
交流发电机发电上限值算出部40b参照曲柄角度传感器43(参照图1)的输出信号获取发动机转速Ne，将该发动机转速Ne乘以带式传动机构21的变速比以计算交流发电机20的转速Nalt。然后，算出部40b根据交流发电机20的转速Nalt计算通过交流发电机所能够进行的发电的上限值Galt，将其发送至发电指示值算出部40e。由于交流发电机20的转速Nalt与发电功率的关系是确定的，因此，交流发电机发电上限值算出部40b例如根据预先准备好的规定的计算式计算上限值Galt。
涡轮增压器发电上限值算出部40c参照曲轴角度传感器43(参照图1)的输出信号获取发动机转速Ne，同时，参照油门开度传感器44(参照图1)的输出信号获取油门开度Acc。然后，算出部40c根据发动机转速Ne和油门开度Acc计算作为运行状态的发动机输出We，同时，根据发动机输出We算出发电上限值Geeg，并将其分别发送至损益判定部40d和发电指示值算出部40e。
损益判定部40d输出损益判定值α并将其发送至发电指示值算出部40e，上述损益判定值α表示将发电上限值Geeg与涡轮增压器发电引起的内燃机1的泵气损失的增加量(以下也称为损失增加量)进行比较时的能量收支上的盈余的有无。损益判定值α在发电上限值Geeg大于损失增加量这一大小关系成立时设定为“1”，意味着能量收支上有盈余，在上述大小关系不成立时设定为“0”，意味着能量收支上无盈余。损益判定部40d例如根据图4所示的判定图M设定损益判定值α的值。判定图M具有如下结构：即，将发动机输出设定为横轴，将发电功率设定为纵轴，由涡轮增压器发电产生的发电功率以实线曲线L1表示，单位时间内的泵气损失的增加量以虚线曲线L2表示。由该判定图M可知，两条曲线L1、L2在发动机输出的分歧点p处相交。在高于分歧点p的输出侧，由于涡轮增压器发电产生的发电功率大于损失增加量，上述大小关系成立，从而能量收支上有盈余。因此，损益判定部40d在发动机输出We大于分歧点p时将损益判定值α的值设定为1。另一方面，在低于分歧点p的输出侧，由于涡轮增压器发电产生的发电功率小于损失增加量，因此上述大小关系不成立，能量收支上没有盈余。因此，损益判定部40d在发动机输出We小于或等于分歧点p时将损益判定值α的值设定为0。
发电指示值算出部40e使用自上述各个部40a～40d发送来的各种信息，依照后述图5所示的处理流程，分别算出针对交流发电机20应要求的发电指示值TGalt和针对MAT3应要求的发电指示值TGeeg，并分别将发电指示值TGalt发送至交流发电机控制部40f，将发电指示值TGeeg发送至MAT控制部40g。交流发电机控制部40f将发电指示值TGalt指示给交流发电机20以使其实施交流发电机发电。MAT控制部40g将发电指示值TGeeg指示给MAT3以使其实施涡轮增压器发电。
如图5所示，在步骤S1中，发电指示值算出部40e读取包含有要求发电功率Tw、发电上限值Galt、发电上限值Geeg、以及损益判定值α的必要信息并将它们更新。
在步骤S2中，发电指示值算出部40e判定发电上限值Galt与发电上限值Geeg的总和是否小于要求发电功率Tw，换言之，通过交流发电机发电和涡轮增压器发电是否无法提供要求发电功率Tw。当发电上限值Galt与发电上限值Geeg的总和小于要求发电功率Tw时，通过交流发电机发电和涡轮增压器发电无法提供要求发电功率Tw。
于是，在步骤S3中，发电指示值算出部40e将发电上限值Galt代入到发电指示值TGalt，并将发电上限值Geeg代入到发电指示值TGeeg中。即，发电指示值算出部40e分别将发电上限值Galt作为发电指示值TGalt算出，将发电上限值Geeg作为发电指示值TGeeg算出。由此，由内燃机1当前的运行状态决定的交流发电机20和MAT3的各自的发电能力得到最大限度的发挥。因此，能够尽可能地降低发电功率相对于要求发电功率Tw的不足。
另一方面，当发电上限值Galt与发电上限值Geeg的总和大于或等于要求发电功率Tw时，通过交流发电机发电和涡轮增压器发电能够提供要求发电功率Tw。于是，在步骤S4中，发电指示值算出部40e判定损益判定值α是否为“1”，即，通过实施涡轮增压器发电在能量收支上是否有盈余。当能量收支上有盈余时前进至步骤S5，当能量收支上无盈余时前进至步骤S6。
在步骤S5中，发电指示值算出部40e通过将要求发电功率Tw减去发电上限值Geeg后的值代入到发电指示值TGalt，同时，将发电上限值Geeg代入发电指示值TGeeg，从而分别算出发电指示值TGalt和发电指示值TGeeg，然后，处理回到步骤S1。如图6所示，通过执行步骤5的处理，涡轮增压器发电的负载率达到最大。即，发电指示值TGeeg相对于涡轮增压器发电的发电上限值Geeg的比例达到最大(100％)。然后，仅通过涡轮增压器发电无法满足要求发电功率Tw的不足部分通过交流发电机发电补偿。
例如，当要求发电功率Tw、交流发电机发电的发电上限值Galt、涡轮增压器发电的发电上限值Geeg、以及损益判定值α为以下的情况时，按照以下方式算出发电指示值TGalt和发电指示值TGeeg。·Tw＝1000【W】·Galt＝1440【W】(交流发电机转速：4000【rpm】)·Geeg＝400【W】(发动机输出：30【KW】)·α＝1(能量收支上有盈余)·TGalt＝1000-400＝600【W】·TGeeg＝400【W】
在步骤S6中，发电指示值算出部40e与步骤S5对照地，通过将发电上限值Galt代入到发电指示值TGalt，同时，将要求发电功率Tw减去发电上限值Galt后的值代入到发电指示值TGeeg，从而分别算出发电指示值TGalt和发电指示值TGeeg，然后，处理回到步骤S1。如图7所示，通过执行步骤S6的处理，交流发电机发电的负载率达到最大。即，发电指示值TGalt相对于交流发电机发电的发电上限值Galt的比例达到最大(100％)。然后，仅通过交流发电机发电无法满足要求发电功率Tw的不足部分通过涡轮增压器发电补偿。
比较图6和图7可以理解的是，在通过实施涡轮增压器发电而在能量收支上有盈余的图6的情况下，与无盈余的图7的情况相比，涡轮增压器发电的负载率较大，交流发电机发电的负载率较小。换言之，在涡轮增压器发电的发电功率大于内燃机1的泵气损失的损失增加量这一大小关系成立的情况下，与该大小关系不成立的情况相比，发电指示值TGeeg相对于涡轮增压器发电的发电上限值Geeg的比例变大，发电指示值TGalt相对于交流发电机发电的发电上限值Galt的比例变小。
根据本实施方式，如上所述，通过考虑涡轮增压器发电引起的泵气损失的增加而分别算出交流发电机发电的发电指示值TGalt和涡轮增压器发电的发电指示值TGeeg，针对内燃机1应提供的的要求发电功率，分配涡轮增压器发电和交流发电机发电的各自的发电功率。从而能够选择适合内燃机1的运行状态的高效的发电。
本发明不限于上述实施方式，在本发明的主旨范围内可以采用多种实施方式实施。上述实施方式中，当实施涡轮增压器发电产生的发电功率大于内燃机1的泵气损失的损失增加量这一大小关系成立，能量收支上有盈余时，将涡轮增压器发电的负载率设为100％。但是，也可以在大于上述大小关系不成立时的负载率的范围内，以其他方式实施，例如将大小关系成立时的涡轮增压器发电的负载率设为80％等的小于100％的负载率。此外，也可以设置为与大小关系不成立时相比，在大小关系成立时的涡轮增压器发电的发电量变大。此外，对于能量收支上无盈余时的交流发电机发电的负载率，也可以采用另外的实施方式，即将交流发电机发电的负载率设为80％等的小于100％的负载率。

Claims (8)

1.一种内燃机的发电系统，其包括：
涡轮增压器，其能够利用所述内燃机的排气通路上设置的涡轮的转动而实施涡轮增压器发电来进行发电；
发电功率算出部，用于算出要求所述涡轮增压器提供的发电功率量即第1发电指示值；
发电控制部，其构成为根据所述第1发电指示值使所述涡轮增压器实施所述涡轮增压器发电；其中，
所述发电功率算出部根据所述内燃机的运行状态，判断所述涡轮增压器发电的发电功率大于所述涡轮增压器发电引起的所述内燃机的泵气损失的增加量这一大小关系是否成立，
所述发电功率算出部，在所述大小关系成立时，与所述大小关系不成立时相比，将所述第1发电指示值算出得更大。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，还包括：
交流发电机，其能够利用所述内燃机的输出进行发电，及
要求发电功率算出部，其针对所述内燃机算出要求发电功率，其中，
所述发电功率算出部以使得通过所述涡轮增压器发电和所述交流发电机实施的交流发电机发电达到所述要求发电功率的方式，算出所述第1发电指示值和针对所述交流发电机的第2发电指示值，同时，以使得当所述大小关系成立时，与所述大小关系不成立时相比，所述第1发电指示值相对于所述第2发电指示值的比变大的方式，算出所述第1发电指示值和所述第2发电指示值，
所述发电控制部构成为，根据所述第1发电指示值使得所述涡轮增压器实施所述涡轮增压器发电，同时，根据所述第2发电指示值使得所述交流发电机实施所述交流发电机发电。
3.根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于，
所述发电功率算出部构成为，以下述方式算出所述第1发电指示值及所述第2发电指示值：
即，当所述大小关系成立时，与所述大小关系不成立时相比，所述第1发电指示值相对于通过所述涡轮增压器发电所能够进行的发电即第1发电上限值的比例变大，
当所述大小关系成立时，与所述大小关系不成立时相比，所述第2发电指示值相对于通过所述交流发电机发电所能够进行的发电即第2发电上限值的比例变小。
4.根据权利要求3所述的发电系统，其特征在于，
所述发电功率算出部构成为，当所述大小关系成立时，将所述第1发电上限值作为所述第1发电指示值算出，并且以所述要求发电功率减去所述第1发电上限值后的值作为所述第2发电指示值算出。
5.根据权利要求3或4所述的发电系统，其特征在于，
所述发电功率算出部构成为，当所述大小关系不成立时，将所述第2发电上限值作为所述第2发电指示值算出，并且以所述要求发电功率减去所述第2发电上限值后的值作为所述第1发电指示值算出。
6.根据权利要求3所述的发电系统，其特征在于，
所述发电功率算出部构成为，当所述第1发电上限值与所述第2发电上限值的总和小于所述要求发电功率时，不论所述大小关系如何，均将所述涡轮增压器发电的所述第1发电上限值作为所述第1发电指示值算出，将所述交流发电机发电的所述第2发电上限值作为所述第2发电指示值算出。
7.根据权利要求3至6中任意一项所述的发电系统，其特征在于，
所述发电功率算出部构成为，根据所述第1发电上限值是否大于泵气损失增加量，判断所述大小关系是否成立。
8.根据权利要求3至7中任意一项所述的发电系统，其特征在于，
所述发电功率算出部构成为，利用所述大小关系判定时与所述内燃机的输出分别对应确定的所述第1发电上限值和所述泵气损失增加量，判断所述大小关系。
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