JP2005534854A

JP2005534854A - 電気的ブーストおよび発電機

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Publication number: JP2005534854A
Application number: JP2004524843A
Authority: JP
Inventors: アーノルド，スティーブン・ドン; シャハッド，シエド・エム
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2005-11-17
Also published as: CN1685138A; AU2003252167A1; US6647724B1; EP1540158A1; WO2004011790A1

Abstract

例示的システム（２００）は、内燃機関（１１０）に供給される吸気チャージ圧力をブーストする電気圧縮機（２４０）と、内燃機関（１１０）から受け取った排気から電力を生成する電気タービン（２５０）と、ブーストの要求があると、蓄電池（２６６）からの電力を電気圧縮機（２４０）に提供し、ブーストの要求後、蓄電池（２６６）が所定の蓄電レベルまで枯渇すると、電気タービン（２５０）によって生成された電力を電気圧縮機（２４０）に提供する電力制御装置（２６０）とを含む。様々な他の例示的方法、装置および／またはシステムも開示される。

Description

本明細書で開示する主題は概ね、電気的に駆動した圧縮機および／またはタービン発電機の使用によりエンジン性能を向上させる方法、装置および／またはシステムに関する。

吸気チャージ圧力（例えば単位面積当たりの力または単位体積当たりのエネルギと定義される）をブーストする方法、装置および／またはシステムは、燃焼によって動力付与された回転シャフトから機械的にエネルギを抽出することが多い。例えば、ターボチャージャは通常、１本のシャフトに取り付けた圧縮機およびタービンを含み、タービンが排気からエネルギを抽出し、これによってシャフトが回転して、その結果、圧縮機によって吸気チャージ圧力をブーストする。別の例として、スーパチャージャを考えると、これは駆動シャフトなどによって機械的に動力付与された圧縮機を使用して、吸気チャージ圧力をブーストする。

最近、電気補助装置が提示されている。例えば、電気的に駆動された圧縮機は、車両のバッテリシステムによって動力付与された電気モータを含み、電気モータはスーパチャージャを駆動して、吸気チャージ圧力をブーストする。ターボチャージャのシャフトを加速または減速できる電気モータおよび発電機装置を含む電気補助ターボチャージャについても考える。

前述した電気的に駆動された圧縮機の機能を有する方法、装置および／またはシステム、前述した電気的に補助されたターボチャージャおよび／または他の機能について、以下で説明する。

本明細書で説明する様々な方法、装置および／またはシステム、およびその均等物は、以下の詳細な説明を添付図面と組み合わせて参照することにより、さらに完全に理解することができる。

同様の参照番号が同様の要素を指す図面を参照すると、様々な方法が、適切な制御および／または計算環境に実装された状態で図示されている。必要ではないが、様々な方法が、コンピュータおよび／または他の計算装置によって実行されるプログラムモジュールなどの、コンピュータで実行可能な命令の一般的文脈で記載されている。通常、プログラムモジュールは、特定の作業を実行するか、特定の抽象的なデータタイプを実行するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。

本明細書のいくつかの図では、様々なアルゴリズム的動作を個々の「ブロック」で要約している。このようなブロックは、プロセスが進行するにつれ実行される特定の動作または下される特定の決定を述べる。マイクロコントローラ（または均等物）を使用する場合、本明細書で示す流れ図は、装置および／またはシステムを制御するためにこのようなマイクロコントローラ（または均等物）が使用できる「制御プログラム」またはソフトウェア／ファームウェアの基礎を提供する。したがって、プロセスは、機械が読み取り可能で、メモリに記憶可能な命令として実装され、これはプロセッサによって実行されると、ブロックとして示される様々な動作を実行する。また、様々な図は、装置および／またはシステムの、随意的に構造的な要素となる個々の「ブロック」を含む。例えば、「制御装置ブロック」は、随意的に構造要素となる制御装置を含み、「検出器ブロック」は、随意的に構造要素となる検出器を含み、「ターボチャージャブロック」は、随意的に構造要素となるターボチャージャを含み、以下同様である。

当業者は、本明細書で提示する流れ図および他の説明に基づいて、このような制御プログラムを容易に書くことができる。本明細書で説明する主題は、以下で説明する動作を実行するためにプログラムする場合のデバイスおよび／またはシステムばかりでなく、マイクロコントローラ、および追加的にこのようなソフトウェアを実現することができる任意かつすべてのコンピュータ読み取り可能媒体をプログラムするように構成されたソフトウェアも含むことを理解し、認識されたい。このようなコンピュータ読み取り可能媒体の例は、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリなどであり、制限はない。

ターボチャージャは、内燃機関の出力を増加させるために頻繁に使用される。図１を参照すると、例示的ターボチャージャ１２０および例示的内燃機関１１０を含む例示的システム１００が図示されている。内燃機関１１０は、動作可能な状態でシャフト１１２を駆動する１つまたは複数の燃焼室を収容するエンジンブロック１１８を含む。図１で示すように、吸気口１１４は、エンジンブロックへの燃焼ガス（空気など）または吸気チャージの流路を提供し、排気口１１６は、エンジンブロック１１８からの排気の流路を提供する。

例示的ターボチャージャ１２０は、排気からエネルギを抽出して、吸気チャージにエネルギを提供するように作用する。図１で示すように、ターボチャージャ１２０は、吸気チャージ入口１３０、圧縮機１２４を有するシャフト１２２、タービン１２６および排気出口１３４を含む。エンジン１１０からタービン１２６へと逸れる排気はシャフト１２２を回転させ、これが圧縮機１２４を回転させる。回転時に、圧縮機１２４は、燃焼ガス（周囲の空気など）を励起して、吸気チャージ圧力（単位面積当たりの力または単位体積当たりのエネルギなど）に「ブースト」を生成し、これは一般的に「ブースト圧」と呼ばれる。この方法で、ターボチャージャは、エンジンへ供給される吸気チャージ質量（通常は炭素系および／または水素系燃料と混合される）を増加させるのに役立つことができ、これは燃焼中のエンジン出力の増大に変換される。

図２を参照すると、例示的ブースト／発電システム２２０および図１の例示的内燃機関１１０を含む例示的システム２００が図示されている。例示的ブースト／発電システム２２０は、排気からエネルギを抽出し、吸気チャージにエネルギを提供するように作用する。図２で示すように、ブースト／発電システム２２０は、吸気チャージ入口２３４、圧縮機２２４、タービン２２６および排気出口２３４を含む。例示的ブースト／発電システム２２０は、電気圧縮機ユニット２４０、電気タービンユニット２５０および電気制御ユニット２６０も含む。リンク２４６を介して電気制御ユニット２６０に結合された電気圧縮機ユニット２４０は、モータ、および動作可能な状態で圧縮機２２４に結合された第１回転式シャフト２４２を含む。リンク２４６は、電気圧縮機ユニット２４０の動力入力および／または制御入力部として働く。別のリンク２５６を介して電気制御ユニット２６０に結合された電気タービンユニット２５０は、発電機、および動作可能な状態でタービン２２６に結合された第２回転式シャフト２５２を含む。

エンジン１１０からタービン２２６へと逸れる排気はシャフト２５２を回転させ、これが電気タービンユニット２５０に電力を生成させる。言うまでもなく、電気タービンユニット２５０は、通常はシャフト２５２を介して供給される電気、磁気および／または機械的荷重などによって、随意的に、タービン２２６を減速するよう動作してよい。電気タービンユニット２５０は通常、生成された電力を電気制御ユニット２６０へと（例えばリンク２５６を介して）伝達する。電気制御ユニット２６０は、随意的に、伝達された生成電力を保存する、かつ／または電力を電気圧縮機ユニット２４０へと（例えばリンク２４６を介して）向ける。電気圧縮機ユニット２４０は、電気制御ユニット２６０から供給された電力を使用して、シャフト２４２を（例えばモータを介して）回転させ、それによって圧縮機２２４を駆動することができる。

言うまでもなく、電気圧縮機ユニット２４０、電気制御ユニット２６０および電気タービンユニット２５０を統合して、動作可能な状態で圧縮機２２４に結合されたシャフト（例えばシャフト２４２）および動作可能な状態でタービン２２６に結合された別のシャフト（例えばシャフト２５２）を有する１つのユニットにすることができる。あるいは、電気圧縮機ユニット２４０または電気タービンユニット２５０および電気制御ユニット２６０を統合して、動作可能な状態で圧縮機２２４に結合されたシャフト（例えばシャフト２４２）または動作可能な状態でタービン２２６に結合されたシャフト（例えばシャフト２５２）を有する１つのユニットにすることができる。別の代替方法では、電気圧縮機ユニット２４０および電気タービンユニット２５０を統合して、動作可能な状態で圧縮機２２４に結合されたシャフト（例えばシャフト２４２）および動作可能な状態でタービン２２６に結合された別のシャフト（例えばシャフト２５２）を有する１つのユニットにすることができる。

例示的電気圧縮機ユニット（例えば圧縮機ユニット２４０）は、圧縮機（例えば圧縮機２４２）を回転するのに十分なレベルで電力を出力することができるモータを含む。例えば、例示的圧縮機は、約２０ＨＰから約３０ＨＰまでのレベルで動力を出力可能および／または約２５０，０００ｒｐｍ以上までの速度で圧縮機（例えば圧縮機２４２）を回転可能であるモータを含む。例示的圧縮機ユニット（例えば圧縮機ユニット２４０）は、随意的に、約１２Ｖから３００Ｖ以上の電圧で作動する。例えば、例示的圧縮機ユニットは、約２４Ｖを超える電圧で作動してよい。前述した電力レベルおよび速度は、通常、圧縮機のサイズに依存し、加えてエンジンのサイズが大きいほど、必要な電力レベルが高くなり、速度が低くなる。言うまでもなく、他の動力レベルおよび／または他の速度を達成可能な圧縮機ユニットも可能である。

本明細書で開示した様々な例示的方法、装置および／またはシステムは通常、内燃機関の性能を向上させるように働く。性能は、例えば動力、トルク、効率、排ガスなどを含む。図３を参照すると、図１のターボチャージャ１２０および図２の例示的ブーストおよび／または発電システム２２０のための単純化された例示的近似グラフ３００が図示されている。１２０とラベルされた１組のグラフは、図１のターボチャージャ１２０に関連し、２２０とラベルされた別の組のグラフは、図２の例示的ブースト／発電システム２２０に関連する。

グラフ１２０の組を参照すると、時間に対する動力需要および／または燃料流量、時間に対する空気流量、時間に対するエンジン動力、および時間に対する排ガスが図示されている。時間に対する需要および／または燃料流量（Ｄ／Ｆ）のグラフを参照すると、約ｔ＿０の時間で、需要および／または燃料流量が増加する。需要および／または燃料流量の増加に応答して、空気量（例えばｍ_Ａを時間で微分したもの、すなわち空気質量流量）が増加し、約ｔ＿１の時間で一定水準になる。この例では、時間ｔ＿０と時間ｔ＿１の間に空気流量の時間遅延（Δｔ_Ａ）が存在する。同様に、エンジン動力（Δｔ_Ｐ）および潜在的に排ガス（Δｔ_Ｅ）にも時間遅延が存在する。ターボチャージャ付きエンジンでは、このような遅延を「ターボラグ」と特徴付けることが多い。本明細書で説明する様々な方法、装置および／またはシステムおよび／またはその均等物は、このような時間遅延を短縮するように作動する。

グラフ２２０の組を参照すると、約ｔ＿０の時間で需要および／または燃料流量の増加が発生する。需要および／または燃料流量の増加に応答して、制御装置（例えば図２の電気制御ユニット２６０）が、電気圧縮機ユニット（例えば図２の電気圧縮機ユニット２４０）に動力を提供する。これで、電気圧縮機ユニットが、圧縮機（例えば図２の圧縮機２２４）に動作可能な状態で結合されたシャフト（例えば図２のシャフト２４２）を駆動し、それによって空気圧をブーストし、したがって内燃機関（例えば図２の内燃機関１１０）への空気流量をブーストする。時間に対する空気流量のグラフ（ｍ_Ａの上に微分を表す黒いドットを付したもの）では、およそ時間ｔ＿０で空気流量がほぼ瞬間的に増加することに留意されたい。したがって、例示的システムはターボチャージャ１２０に関連する遅延時間を短縮および／または大幅に解消する。さらに、時間に対する動力（Ｐ）のグラフでも同様の挙動が示されていることに留意されたい。また、需要および／または燃料流量（Ｄ／Ｆ）の増加に応答して、対応する排ガス（Ｅ）が潜在的に減少する。

図４を参照すると、図２の例示的システム２２０の様々な構成要素のブロック図が図示されている。例示的システム２２０は、電気圧縮機ユニット２４０、電気タービンユニット２５０および電気制御ユニット２６０を含む。電気制御ユニット２６０は、制御装置２６２、パワーエレクトロニクス２６４および蓄電池２６６を含む。概して、制御装置２６２は、パワーエレクトロニクス２６４および／または蓄電池２６６との１つまたは複数の通信リンクを有する。このようなリンクは、随意的に、制御装置２６２を介したパワーエレクトロニクス２６４および／または蓄電池２６６の制御を可能にする。さらに、制御装置２６２は、リンク２５２を介した電気タービンユニット２５０からの動力入力および／またはリンク２４２を介した電気制御ユニット２６０から電気圧縮機ユニット２４０への動力出力を制御することができる。例示的制御装置は、蓄電池（例えば蓄電池２６６）から別の電源へと電気モータの作動を切り換えるスイッチも含んでよい。スイッチは代替的または追加的に、蓄電池の再充電も可能にしてよい。例えば、蓄電池が所定の蓄電レベルまで枯渇した後、スイッチは、別の電源へと切り換えて、電気モータに動力付与する、かつ／または蓄電池を再充電してよい。言うまでもなく、電気タービンユニット２５０が別の電源として作用してもよい。所定の蓄電レベルに関して、このレベルは、随意的に、サイクル時間、合計サイクル、寿命、充電／放電特徴などの要素に依存する。このようなレベルは、随意的に、制御装置および／または他の装置でプログラムおよび／または決定する。

例示的制御装置（例えば制御装置２６２）は、内燃機関の動作に関する情報を受信する入力部も含んでよい。さらに、このような制御装置は、少なくとも部分的にこの情報に基づき、内燃機関に供給される吸気チャージ圧力をブーストするか否かを決定する制御論理および／または他の決定手段を含んでよい。これで、追加の制御論理および／または制御手段は、ブーストを決定した後、蓄電池が所定の蓄電レベルまで枯渇したら、電気タービンによって生成された電力を電気圧縮機へとブーストかつ／または配向することを決定したら、蓄電池からの電力を電気圧縮機へと配向することができる。

既に述べたように例示的圧縮機ユニット（例えば圧縮機ユニット２４０）は、随意的に、約１２Ｖから約３００Ｖ以上の電圧で作動する。概して、圧縮機ユニットの運転電圧は、車両の電気システムで通常使用される電圧を超える。さらに、典型的な車両の電気システムで使用可能な電力は、一部の例示的電気圧縮機ユニットの電力需要を十分に満たさない。

例示的蓄電池（例えば蓄電池２６６）は１つまたは複数のコンデンサおよび／またはバッテリを含む。概して、このようなコンデンサおよび／またはバッテリは、電気圧縮機ユニット（例えば圧縮機ユニット２４０）に、吸気チャージ圧力を増加させるのに十分な電力を提供することができる。概して、バッテリは、コンデンサと比較すると、より長い放電時間を有する傾向がある。「スーパーコンデンサ」と呼ばれることがある一タイプのコンデンサは、高エネルギコンデンサおよび高出力コンデンサを含む。高エネルギコンデンサは通常、数百秒のオーダーの充電時間を有し、高出力コンデンサは通常、約１０秒のオーダーの充電時間を有し、他のコンデンサは、これより充電時間が長いか短い。適切なスーパーコンデンサは、個々にまたはまとめて、数ボルトから３００ボルトを超える電圧を生成することができ、１００，０００サイクルを超えることができ、約１ｋＪを超える定格でもよい。本明細書で説明する様々な例示的システムは、随意的に、蓄電用のスーパーコンデンサを含む。また、様々な例示的システムは、車両の主要な電気システムおよび／または車両の主要な電気システムより高い電圧レベルで動作する蓄電池から絶縁された蓄電池を含む。

例示的蓄電池、制御装置またはパワーエレクトロニクスは、それぞれ電流を整流し、電圧を増加させる整流回路および電圧増倍回路などの回路も含むことができるが、これに制限されない。例えば、整流回路は、交流電流を直流電流に整流するよう作動することができ、電圧増倍回路は、並列でコンデンサを充電し、直列でコンデンサを放電することによって作動することができる。言うまでもなく、例示的圧縮機ユニットおよび／または例示的タービンユニットは、蓄電池および／または回路を含むことができる。さらに、例示的タービンユニットは、十分なオンライン電力を生成して、圧縮機ユニットを直接（例えば、随意的に、整流回路を介して）作動させ、これによって蓄電池をバイパスすることができる。

再び図３を参照すると、例示的吸気チャージブーストシステムは、ラグを減少させるために数秒程度以内の圧縮機動作を必要とするだけでよい。したがって、蓄電池、制御装置および／またはパワーエレクトロニクスは、随意的に、断続的に作動させて、圧縮機に例えば電力バーストを提供するように設計され、例えば各バーストは約１０秒を超えない。言うまでもなく、これよりバーストが長い（例えば約１０秒を超える）および／または短い（例えば約１０秒未満の）蓄電池、制御装置および／またはパワーエレクトロニクスも可能である。例示的方法は、蓄電された電力（例えばコンデンサおよび／またはバッテリ）を使用して始動し、その後にタービン発電機のオンライン電力を使用することを含む。このような例示的方法では、蓄電された電力は、数秒（例えば約２秒から約３秒）しか使用しない。１つまたは複数のコンデンサを放電して、電気圧縮機ユニットに約３秒間電力付与することと、発電機として作動する電気タービンユニットからオンライン電力へと切り換えること、または別のコンデンサまたはコンデンサのグループに切り換えることを含む。後者の例では、１つまたは複数の他のコンデンサが放電している間に、発電機として作動するオンライン電気タービンユニットは、随意的に、１つまたは複数のコンデンサを充電する。

図５を参照すると、図４の例示的システム２２０のブロック図が図示され、ここで例示的システムは、複数の電気圧縮機ユニット２４０、２４０’および／または複数の電気タービンユニット２５０、２５０’を含む。複数のタービンおよび／または複数の圧縮機を使用することにより、性能を向上させることができる。例えば、複数の圧縮機が、性能要件に応じた段階で作動する。１つの圧縮機が十分にブーストを提供するという、需要の小さい増加と、２つ以上の圧縮機がブーストを提供するという、需要の大きい増加を考察してみる。また、１つのタービンが、複数の圧縮機を駆動するのに十分な電力を提供するか、複数のタービンが１つの圧縮機に電力を提供することができる。言うまでもなく、１つまたは複数の圧縮機および／または１つまたは複数のタービンを使用することにより、様々な他の構成が可能である。

再び図５を参照すると、例示的システム２２０では、様々な例示的ユニットが、制御に関する情報（例えば制御パラメータなど）の電力および／または通信のために、電気制御ユニット２６０へのリンクを有する。図４および／または図５で示した例示的システム２２０は、随意的に、車両の主要な電気システムから絶縁および／または分離された絶縁および／または別個の電気システムを含む。

図６を参照すると、図４の例示的システム２２０のブロック図が、１つまたは複数の電気システムブロック６１０、６２０とともに図示されている。図６で示すように、電気システムブロック６１０は、随意的に、１つまたは複数の電気圧縮機ユニット（例えば図５の圧縮機ユニット２４０、２４０’）を作動させるのに十分な電圧および電力で動作する電気システムに対応し、電気システムブロック６２０は、随意的に、車両の他の電気需要（例えばグロープラグ、点火、スタータモータ、ランプ、コンピュータなど）に対処するのに十分な電圧および電力で動作する電気システムに対応する。

図６で示すように、リンク６１２は電気制御ユニット２６０と電気システムブロック６１０の間に存在し、別のリンク６２２が電気制御ユニット２６０と電気システムブロック６２０の間に存在する。リンク６１２および／またはリンク６２２は通常、電気圧縮機ユニットおよび／または電気タービンユニットの作動に関する情報および／または電力を通信するように作動する。例えば、車両の主要な電気システム（例えば電気的ニーズのために使用する１つまたは複数のバッテリに関する）は、随意的に、リンク６２２を介して制御装置（例えば制御装置２６２）などに電力を提供し、車両の主要な電気システムより高い電圧で作動する電気システムに関連する電力を制御する。言うまでもなく、電気タービンユニット（例えばタービンユニット２５０）によって生成された電力は、随意的に、１つまたは複数の電気圧縮機ユニット（例えば圧縮機ユニット２４０）を制御し、これに電力付与するために電力を生成する。このような例示的システムでは、整流器などが、随意的に、時変電圧を１つまたは複数の直流電圧に変換し、一方の電圧が制御装置に電力付与することができ、別の電圧が、電気圧縮機ユニット（例えば圧縮機ユニット２４０）に関連するモータに電力付与する。

再び図３のグラフ１２０の組を参照すると、典型的なターボチャージャおよび内燃機関システムでは、電力増加を要求すると、通常はエンジンへの燃料流量が増加するが、燃料流量が増加すると、燃焼効率が不十分な空気流によって制限されることがある。しかし、燃料流量の増加に応答して、放熱が実際に増加し、これは通常、排気温度およびエンジン背圧を増加させる。これに応答して、タービンは排気から追加のエネルギを多少抽出することができ、これは圧縮機への電力を増加させる。このようなシステムでは、ターボチャージャのシャフト速度が増加する間、速度は部分的にタービンおよび／または圧縮機の慣性の抵抗を受ける（つまりタービンおよび圧縮機は通常、同じシャフトに取り付けられる）。このような抵抗があっても、シャフト速度の増加が通常は生じ、これによって圧縮機がエンジンへの空気流量を増加させ、任意の燃料流量にさらに十分な空気流量を提供する。この場合も、このプロセスの結果、「ターボラグ」として知られる状態になることが多い。既に述べたように、本明細書で説明する様々な例示的方法、装置および／またはシステムは、随意的に、ターボラグ（これに限定されないが）などの状態を低減かつ／または解消するように作動する。

図２または図６のシステム２２０などの例示的ブーストおよび／または発電システム、電気圧縮機ユニットおよび電気タービンユニットは、同じ速度または異なる速度で回転できる個々のシャフトを含む。このようなシステムによって、各シャフトは別のシャフトとは異なる速度で回転することができる。実際、シャフトは、互いに独立した速度で回転してよい。また、タービンおよび圧縮機の慣性は、基本的に結合解除される。したがって、圧縮機のサイズ、重量などは、随意的に、タービンのサイズ、重量などから独立して決定され、その逆もある。例えば、電気圧縮機ユニットに関連する圧縮機は、随意的に、シャフトおよびタービンアセンブリに関連する圧縮機（例えば図１のターボチャージャユニット１２０に関連する圧縮機）より大きく、効率的である。

図７を参照すると、例示的方法７００のブロック図が図示されている。例示的方法７００によると、１つまたは複数の検出ブロック７０４、７０４’、７０４”で、電気制御ユニット（例えば図２の電気制御ユニット２６０）および／または他の構成要素が、空気流量の増加７０４、燃料流量の増加７０４’および／または電力の増加７０４”のニーズを検出するか、その要求を受信する（例えば電力需要増加の検出）。制御ブロック７０８（例えば図２の電気制御ユニット２６０）は、１つまたは複数の検出ブロック７０４、７０４’、７０４”から（直接的および／または間接的に）情報を受信し、これに応答して１つまたは複数の電気圧縮機ユニットへの電力を適切に調節する。

図８を参照すると、別の例示的方法８００が図示されている。検出ブロック８０４で、検出器が排ガスを検出する。言うまでもなく、排ガスは、作動状態および／または他の情報に基づいて決定することができる。次に、決定ブロック８０８（例えば図２の電気制御ユニット２６０）が、検出された排ガスに応答して１つまたは複数の制御パラメータを決定し、１つまたは複数の制御パラメータは、制御信号として通信可能である。適宜、様々な調節ブロック８１２、８１２’、８１２”がこれに続く。例えば、調節ブロック８１２は制御信号を受信して、圧縮機への電力を調節し、調節ブロック８１２’は制御信号を受信して、タービン発電機を調節し、調節ブロック８１２”は制御信号を受信して、燃料流量を調節する。したがって、圧縮機、タービン発電機および／または燃料流量の調節により、排ガスを改善することができる。さらに、このような調節により、排ガスの後処理を改善することができる。例えば、１つまたは複数の調節により、触媒コンバータまたは他の後処理技術をさらに効率的に作動させることができる。最適な作動温度、排ガス流量および／または排ガス負荷（例えば１つまたは複数の化学物質種の濃度）を有する触媒コンバータを考察する。圧縮機、タービン発電機および／または燃料流量の調節は、例えば排ガス温度の上昇、排ガス負荷の減少などを引き起こす。

図９を参照すると、例示的方法９００のブロック図が図示されている。受信ブロック９０４で、電気制御ユニット（例えば図２の電気制御ユニット２６０）は、需要（例えば図３で示すような需要「Ｄ／Ｆ」）の増加に関する情報を受信する。このような需要の増加は、燃料流量の増加に対するニーズまたは燃料流量の実際の増加に関連する、かつ／またはその結果である。図９で示すように、「燃料流量増加」ブロック９０８では、エンジンへの燃料流量が増加する。概して、燃料は、通常は燃焼ガスと混合された水素および／または炭素系の燃料を含む。「圧縮機への電力増加」ブロック９１２では、電気制御ユニットが、１つまたは複数の電気圧縮機ユニットへの電力を増加させる。例えば、電気制御ユニットは、蓄電池（例えばコンデンサ、バッテリなど）からの電力を提供することができ、あるいは電気制御ユニットが、発電機からのオンライン電力を提供することができる。ブロック９０８および９１２で実行される機能は、随意的に、同時に実行される。「タービンへの電力増加」ブロック９１６では、少なくとも部分的に１つまたは複数の電気圧縮機ユニットへの電力増加が、燃焼からの電力増加をもたらし、その結果、排ガスのエネルギが増加する。ブロック９１６で示すように、排ガスエネルギの増加は、タービンへの動力増加に変換される。その結果、タービンへの動力が増加し、発電ブロック９２０で示すように、電気タービンユニットが電力を生成することができる。図９で示すように、電力が生成されると、１つまたは複数の電気圧縮機ユニットへの電力をさらに増加させることができる。例えば、発電ブロック９２０は、蓄電池が枯渇した場合に、電気圧縮機の作動を延長させることができるか、蓄電池を再充電することができる。さらに、燃料流量増加ブロック９０８を介して、燃料流量の追加的増加が生じることがある。

例示的方法９００を実行可能な例示的システムは、圧縮機およびタービンを異なる速度で回転させることができ、車両の主要な電気システムとは別個の電力システムを使用し、電力システムは、主要なシステムより高い電圧で作動し、圧縮機が約３秒作動するのに十分な電力を保存することができる１つまたは複数のコンデンサを含む、かつ／またはターボチャージャに通常関連するタービンより大きく、効率的なタービンを使用する。というのは、タービンの慣性は、電気圧縮機ユニットの加速の重大な要素ではないからである。例示的システムは、電気モータの作動を蓄電池から別の電源へと切り換えるスイッチも含むことができる。また、スイッチにより、蓄電池を再充電することができる。例えば、蓄電池が枯渇した後、スイッチは、別の電源に切り換えて、電気モータに電力付与する、かつ／または蓄電池を再充電することができる。

既に述べたように、典型的なターボチャージャおよび内燃機関システムでは、電力増加の需要は通常、エンジンへの燃料流量増加をもたらすが、このようなポイントで、燃焼効率は通常、不十分な空気流によって制限される。ＧＡＲＲＥＴＴ（登録商標）ＶＮＴ（商標）およびＡＶＮＴ（商標）（ＧａｒｒｅｔｔＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）ターボチャージャなどの、複数の調節可能な翼を使用して、タービンを通る排ガスの流量を制御する流路可変ターボチャージャ（ＶＧＴ）が、このような空気流量の問題に対応することができる。タービンの入口に配置された調節可能な翼は、通常、タービンへの排ガスの流れを制御するように作動する。例えば、ＧＡＲＲＥＴＴ（登録商標）ＶＮＴ（商標）ターボチャージャは、必要な負荷でタービンの出力を最適化するために、タービンの入口で排ガス流量を調節する。閉位置に向かう翼の動作は、通常、排ガスの流れをタービンに対してさらに接線方向に配向し、これはタービンへ与えるエネルギを増加させ、その結果、関連するターボチャージャ圧縮機の圧縮機ブーストを増加させる。逆に、開位置への翼の動作は、通常、排ガスの流れをタービンに対してさらに半径方向に配向し、タービンへのエネルギを減少させ、その結果、圧縮機のブーストを減少させる。したがって、低いエンジン速度および小さい排ガス流量では、ＶＧＴターボチャージャは、タービン出力およびブースト圧力を増加させることができ、エンジンの全速／全負荷および高いガス流量で、ＶＧＴターボチャージャは、ターボチャージャの超過速度の防止に役立ち、適切または必要なブースト圧力の維持に役立つことができる。形状を制御するための多様な制御体系が存在し、例えば圧縮機圧力に結合されたアクチュエータが、形状を制御する、かつ／またはエンジン管理システムが、真空アクチュエータを使用して形状を制御することができる。全体的に、ＶＧＴによって、ブースト圧力を調整することができ、これは電力出力、燃料効率、排ガス、応答および／または摩耗を効果的に最適化することができる。言うまでもなく、ターボチャージャは、前述した流路可変技術の代わりに、またはそれに追加してウエィストゲート技術を使用してもよい。

ＶＧＴターボチャージャでは、燃料流量の増加に応答して、典型的なターボチャージャに関連する値より上まで排気の背圧（および通常は温度）を増加させるように、形状を調節する。これに応答して、タービンは、排気から追加のエネルギを多少抽出することができ、これは圧縮機への電力を増加させる。このようなシステムでは、ターボチャージャのシャフト速度が増加する一方、速度増加は、部分的にタービンおよび／または圧縮機の慣性の抵抗を受けるが、一般的に、シャフト速度が増加すると、圧縮機はエンジンへの空気流量を増加させ、任意の燃料流量での空気流量がさらに十分になる。流路可変ターボチャージャは、典型的なターボチャージャに対して改良点を提供するが、このプロセスもなお「ターボラグ」をもたらすことがある。

図１０を参照すると、例示的方法１０００のブロック図が図示されている。例示的方法１０００は、流路可変タービンの使用を利用する。受信ブロック１００４で、電気制御ユニット（例えば図２の電気制御ユニット２０６）は、需要（例えば図３で示した需要「Ｄ／Ｆ」）の増加に関する情報を受信する。このような需要の増加は、燃料流量の増加に対するニーズまたは燃料流量の増加に関連する、かつ／またはその結果であることが多い。図１０で示すように、「燃料流量増加」ブロック１００８で、エンジンへの燃料流量が増加する。概して、燃料は、通常は燃焼ガスと混合された水素および／または炭素系の燃料を含む。「圧縮機への電力増加」ブロック１０１２では、電気制御ユニットが、１つまたは複数の電気圧縮機ユニットへの電力を増加させる。例えば、電気制御ユニットは、蓄電池（例えばコンデンサ、バッテリなど）からの電力を提供することができ、あるいは電気制御ユニットが、発電機からのオンライン電力を提供することができる。ブロック１００８および１０１２で実行される機能は、随意的に、同時に実行される。「タービンへの電力増加」ブロック１０１６では、１つまたは複数の電気圧縮機ユニットへの電力増加が、燃焼からの電力増加をもたらし、その結果、排ガスのエネルギが増加する。ブロック１０１６で示すように、排ガスエネルギの増加は、通常、タービンへの動力増加に変換される。タービンへの動力増加ブロック１０１６と同時、その前および／または後に、調節ブロック１０１８が、随意的に、流路可変タービンのタービン形状を調節して、タービンへの排気エネルギを増加させる。調節ブロック１０１８は、随意的に、制御ユニットから送信された命令および／または制御パラメータの受信に応答する。特定の例では、タービンの形状の調節前に遅延が発生し、これにより調節が排気の背圧を増加させる。

その結果、（例えば燃焼エネルギの増加および／または形状の調節により）タービンへの動力が増加し、発電ブロック１０２０で示すように、電気タービンユニットが電力を生成することができる。図１０で示すように、電力が生成されると、１つまたは複数の電気圧縮機ユニットへの電力をさらに増加させることができる。例えば、発電ブロック１０２０は、蓄電池が枯渇した場合に、電気圧縮機の作動を延長させることができるか、蓄電池を再充電することができる。さらに、燃料流量増加ブロック１００８を介して、燃料流量の追加的増加が生じることがある。言うまでもなく、このような電気的圧縮機ユニットは、随意的に、典型的なターボチャージャまたはＶＧＴターボチャージャとの関連で作動する。さらに、電気圧縮機ユニットの数およびタービンの数は異なってよい。例えば、図５を参照すると、１つの電気タービンユニット（例えばタービンユニット２５０）が、２つの電気圧縮機ユニット（例えば圧縮機ユニット２４０、２４０’）に動力付与してよい。また、任意の数のタービンが、随意的に、流路可変能力を含む。

いくつかの例示的方法、装置およびシステムを添付図面で図示し、以上の詳細な説明で説明してきたが、方法およびシステムは開示された例示的実施形態に制限されず、特許請求の範囲で述べ、定義した精神から逸脱することなく、多数の再構成、変更および置換が可能であることが理解されよう。

ターボチャージャおよび内燃機関を示す、単純化した概略図である。例示的ブーストシステムおよび内燃機関を示す、単純化した概略図である。図１のターボチャージャおよび内燃機関の例示的挙動、および図２の例示的ブーストシステムおよび内燃機関を示す、単純化した近似グラフ図である。例示的ブーストシステムを示すブロック図である。１つまたは複数の圧縮機および／または１つまたは複数のタービンを有する例示的ブーストシステムを示すブロック図である。さらに１つまたは複数の電気的システムを含む、図４の例示的ブーストシステムを示すブロック図である。吸気チャージ圧力をブーストする例示的方法を示すブロック図である。排気を改善するために調節する例示的方法を示すブロック図である。吸気圧力をブーストし、排気からエネルギを抽出する例示的方法を示すブロック図である。部分的に可変幾何学的タービンを使用して、燃焼エンジンの吸気チャージ圧力をブーストする例示的方法を示すブロック図である。

Claims

内燃機関の出力増加に対する要求を受信するステップと、
前記要求に応答して、蓄積された電力を電気圧縮機ユニットに提供し、それによって前記内燃機関への吸気チャージ圧力を増加するステップと、
前記内燃機関によって生成された排気からエネルギを抽出するように構成された電気タービンユニットの流路可変タービンの形状を調節するステップと、
前記電気タービンユニットを使用して電力を生成するステップと、
電気圧縮機ユニットおよび蓄電池で構成されたグループから選択した１つまたは複数の部材に、生成した電力を提供するステップとを含む方法。
前記調節するステップが、前記内燃機関の排気背圧を増加させる、請求項１に記載の方法。
さらに、前記内燃機関への燃料流量を増加させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
前記燃料流量を増加させるステップと、蓄積された電力を前記電気圧縮機ユニットに提供するステップとが同時に行われる、請求項３に記載の方法。
前記蓄積された電力を提供するステップが、コンデンサおよびバッテリで構成されたグループから選択した１つまたは複数の部材を放電するステップを含み、随意的に、蓄積された電力を前記電気圧縮機ユニットに提供するステップが、約３秒以内だけ行われる、請求項１に記載の方法。
前記電気圧縮機ユニットの圧縮機に動作可能な状態で結合された第１回転式シャフトが、随意的に、前記電気タービンユニットのタービンに動作可能な状態で結合された第２回転式シャフトとは異なる速度で回転する、請求項１に記載の方法。
コンピュータ読み取り可能命令を有する１つまたは複数のコンピュータ読み取り可能媒体であって、前記コンピュータ読み取り可能命令は、プログラム可能デバイスによって実行されることにより、前記デバイスをして、内燃機関の出力増加の要求を受信させ、前記要求に応答して、蓄積された電力を電気圧縮機ユニットに提供させ、それによって前記内燃機関への吸気チャージ圧力を増加させるように要求させ、前記内燃機関によって生成された排気からエネルギを抽出するように構成された電気タービンユニットの流路可変タービンの形状を調節させ、前記電気タービンユニットを使用して電力を生成するように要求させ、前記電気圧縮機ユニットと蓄電池で構成されたグループから選択した１つまたは複数の部材に、前記生成された電力を提供するように要求させるようになされている、媒体。
内燃機関の出力増加の要求を受信するステップと、
前記要求に応答して、蓄積された電力を電気圧縮機ユニットに提供し、それによって前記内燃機関への吸気チャージ圧力を増加させるステップと、
前記内燃機関への燃料流量を増加させるステップと、
前記内燃機関によって生成された排気からエネルギを抽出するように構成された電気タービンユニットを使用して、電力を生成するステップと、
前記電気圧縮機ユニットと蓄電池で構成されたグループから選択した１つまたは複数の部材に、前記生成された電力を提供するように要求するステップとを含む方法。
さらに、前記電気タービンユニットの流路可変タービンの形状を調節するステップを含み、随意的に、調節するステップが、前記内燃機関の排気背圧を増加させる、請求項８に記載の方法。
前記燃料流量を増加させるステップと、蓄積された電力を前記電気圧縮機ユニットに提供するステップとが同時に行われる、請求項８に記載の方法。
前記蓄積された電力を提供するステップが、コンデンサおよびバッテリで構成されたグループから選択した１つまたは複数の部材を放電するステップを含み、随意的に、蓄積された電力を前記電気圧縮機ユニットに提供するステップが、約３秒以内だけ行われる、請求項８に記載の方法。
前記電気圧縮機ユニットの圧縮機に連動可能な状態で結合された第１回転式シャフトが、随意的に、前記電気タービンユニットのタービンに連動可能な状態で結合された第２回転式シャフトとは異なる速度で回転する、請求項８に記載の方法。
コンピュータ読み取り可能命令を有する１つまたは複数のコンピュータ読み取り可能媒体であって、前記コンピュータ読み取り可能命令は、プログラム可能デバイスによって実行されることにより、前記デバイスをして、内燃機関の出力増加の要求を受信させ、前記要求に応答して、蓄積された電力を電気圧縮機ユニットに提供させ、それによって前記内燃機関への吸気チャージ圧力を増加させるように要求させ、内燃機関への燃料流量の増加を要求させ、前記内燃機関によって生成された排気からエネルギを抽出するように構成された電気タービンユニットを使用して、電力を生成するように要求させ、前記電気圧縮機ユニットと蓄電池で構成されたグループから選択した１つまたは複数の部材に、前記生成された電力を提供するように要求させるようになされている、媒体。
内燃機関に供給された吸気チャージをブーストする電気圧縮機であって、
動作可能な状態で回転式シャフトに結合された圧縮機と、
動作可能な状態で回転式シャフトに結合された電気モータと、
蓄積された電力を前記電気モータに提供するように構成された蓄電池とを備え、前記蓄電池が、１つまたは複数のコンデンサを備え、さらに、
１つまたは複数のコンデンサに充電するステップと、電力を前記電気モータに提供するステップとで構成されたグループから選択した１つまたは複数の作業を実行するために、電源から電力を受けるように構成された電力入力部を備え、前記電源および前記電気モータが、約２４ボルトより大きい電圧で作動し、随意的に、前記電気圧縮機および前記電源が、前記内燃機関に関連する他の電気システムから電気的に絶縁されるものである電気圧縮機。
１つまたは複数のコンデンサが超コンデンサを備える、請求項１４に記載の電気圧縮機。