JP2007505262A

JP2007505262A - 電力の排ガス駆動式発電機およびハイブリッド車を含む車両における高度補償

Info

Publication number: JP2007505262A
Application number: JP2006526284A
Authority: JP
Inventors: フランク，アンドリュー，エイ．; ダーリントン，トーマス，イー．
Original assignee: University of California
Current assignee: University of California
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2007-03-08
Also published as: US20050050887A1; WO2005026517A1; US6931850B2

Abstract

ハイブリッド車は、内燃機関、電気モーター、およびトランスミッションを備える。ターボチャージャーは、内燃機関と流体連通する。さらに、発電機は、ターボチャージャーに機械的に結合され、それにより、内燃機関からの排ガスにより駆動される。発電機は、電力をモーターおよび／または電池に供給すると同時に、内燃機関の高度補償を行い、高度および環境条件が変化したときも内燃機関の出力が同じ出力および効率になるようにできる。ターボチャージャーは、さらに、必要ならば、出力増大にも使用することができる。排ガス駆動式発電機システムを電池充電および／または電気アクセサリの電力供給のため従来の車両にも配備することができ、それによりオルタネータの代わりとすることができる。

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、２００３年９月１０日に出願した米国出願第１０／６６０，３７１号の優先権を主張するものである。
（連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載）
該当なし。
（コンパクトディスクに収めて提出される資料の参照による組み込み）
該当なし。

本発明は、一般に、内燃機関車に関するものであり、より具体的には、ターボチャージャーおよび排ガス駆動式発電機を組み込むように修正されたハイブリッド車に関するものである。

典型的なハイブリッド車（ＨＥＶ）は、内燃機関（ＩＣＥ）を電池電源に結合された電気モーター（ＥＭ）と組み合わせる。ＨＥＶを使用すると、一般に、従来の自動車に比べて、燃料節約が向上し、航続距離が伸び、排出ガスが少なくなる。さらに、ＨＥＶには固有の柔軟性があるため、それらは、個人的な輸送から商業的な長距離輸送まで、広範な用途で使用することができる。

何年にもわたってＨＥＶパワートレイン理論が開発されているが、石油の安定供給が下降し、ガソリン価格が上昇したときに、最も高い関心が集まるのが通例である。このように関心が寄せられるのは、ＨＥＶでは、燃料節約が著しく向上し、運転１マイル当たりのコストが比較的低いと文書に記載されているからである。残念なことに、現在のＨＥＶは、海抜よりも上の高度ではＩＣＥにより駆動される従来の車両の性能を満たしえない。ＨＥＶのこのような欠点は、主に、典型的なＨＥＶでは従来の自動車と比べてサイズの面で小さいＩＣＥを使用しており、ＩＣＥのサイズが小さいためＩＣＥの性能に対する高度変化の影響が増幅されるという事実による。

本発明の一態様によれば、海抜よりも上の高度でのＨＥＶの性能低下は、標準のターボチャージャーをＩＣＥと併用することにより対処される。しかし、典型的な車両の運転の約８０％から９０％は、同サイズの従来の車両に匹敵する性能特性を維持するためにターボチャージャーからのフルブーストが必要とされない高度で行われることに留意されたい。したがって、本発明の他の態様によれば、ターボチャージャーは、ターボチャージャーのコンプレッサセクションでブーストを発生するために必要とされないタービンセクションにより発生する出力がＨＥＶ内の電池充電に使用されるように発電機を駆動するために使用される。必要なブースト量、および車両の運転中の特定のどの時期にもブーストが必要ない範囲は、車両設計者により設定されたパラメータにより決定され、意図された車両運転に依存することは理解されるであろう。

本発明の他の態様では、排ガス駆動式発電機（ＥＧＤＧ）を使用して、ＨＥＶ内の電池を充電する電力を発生する。ＥＧＤＧ構成は、通常であればＩＣＥの排気管を通して廃棄される熱エネルギーを電気エネルギーに変換できるという点で有利である。ターボチャージャーをＨＥＶに組み込み、発電機のシャフトを接続することにより、発電機が排ガス駆動式発電機になる。ＥＧＤＧ構成では、燃焼排ガスの熱エネルギーの一部を回収し、それを使用して発電機を駆動することにより、ＨＥＶの推進システムの体積効率および実効熱効率を向上させ、それにより、典型的なＨＥＶの燃料消費量をさらにもっと減らすことができる。

本発明の一実施形態では、ＨＥＶは、内燃機関、トラクションモーター、およびトラクションバッテリーを備える。トラクションモーターおよびトラクションバッテリーという用語は、当業では、ＨＥＶ内の電気モーターおよび電池をそれぞれ記述するために使用し、特定の種類の電気モーターまたは電池を表すわけではないことは理解されるであろう。ＨＥＶは、さらに、内燃機関のエグゾーストマニホールドと流体連通しているタービンセクション、および内燃機関のインテークマニホールドと流体連通しているコンプレッサセクションを備えるターボチャージャーを含む。また、発電機は、タービンまたはコンプレッサのシャフトのいずれかなど、ターボチャージャーに機械的に結合される。この方法で、発電機は、内燃機関からの排ガスにより駆動される。ターボチャージャーは、ドライブシャフトを含み、発電機は、ドライブシャフトに機械的に結合されるのが好ましい。発電機は、電力をトラクションモーターまたはトラクションバッテリーに供給する。好ましい一実施形態では、ターボチャージャーは、約２対１（２：１）の無制限の圧縮比を持つ。さらに、すべての高度において、ターボチャージャーは、発電機によるターボチャージャー速度の調整により大気圧１．１の出口圧力を有する。

他の実施形態では、ハイブリッド車は、内燃機関、トラクションモーター、およびトラクションバッテリーを備える。ハイブリッド車は、さらに、増大した動力を内燃機関に選択的に供給するための手段を備える。さらに、ハイブリッド車は、増大した動力を内燃機関に選択的に供給するための手段に結合された発電用の手段も備える。

本発明のさらに他の態様は、ハイブリッド車の運転の方法である。この方法は、ターボチャージャーからの動力増大を選択的に供給することを含む。それに加えて、この方法は、排ガス駆動式発電機を使用して選択的に発電することを含む。

一実施形態では、内燃機関、トラクションモーター、およびトラクションバッテリーを備えるハイブリッド車に電力を供給するための方法が提示される。この方法は、内燃機関と流体連通するターボチャージャーを備えることを含む。発電機が備えられ、ターボチャージャーに結合され、それにより、排ガス駆動式発電機が形成される。さらに、電力は、発電機からトラクションモーターまたはトラクションバッテリーに選択的に供給される。

本発明は、他の方法でも同様に具現化できることは理解されるであろう。例えば、一実施形態では、ターボチャージャー内のタービンおよびコンプレッサは、共通シャフト上にない。したがって、タービンは、コンプレッサを駆動せず、この実施形態では、コンプレッサは、電池および／または排ガス駆動式発電機から電力の供給を受ける電気モーターにより駆動される。

本発明は、さらに、電気モーターを採用しない従来の内燃機関車（つまり、非ＨＥＶ）にも応用例を有する。一実施形態では、車両は排ガス駆動式発電機を備えるように修正され、その場合、排ガス駆動式発電機はタービンおよび発電機を備える。タービンは、エグゾーストマニホールドからの排ガスから駆動され、次に、発電機を駆動する。この構成は、電池を充電するため、および／または車両内の電気アクセサリに電力を供給するために使用することができ、したがって、車両のオルタネータの代わりに使用することができる。他の実施形態では、車両は、ターボチャージャーを備えるか、または備えるように修正され、発電機は、ＨＥＶに関して上で説明されているのと同じ方法でターボチャージャーにより駆動される。しかし、ここでもまた、この構成は車両のオルタネータの代わりに使用することができる。

本発明のさらに他の態様は、明細書の以下の部分に現れ、詳細な説明は、限定することなく、本発明の完全に開示されている好ましい実施形態の目的にそっている。

本発明は、例示の目的のみのための後述の図面を参照することによりさらに完全に理解されるであろう。

図面をさらに詳しく参照すると、例示目的に関して、本発明は、図１から図１１に一般的に示され、説明されている装置および方法で具現化される。本明細書に開示されているような基本概念から逸脱することなく、装置は、構成および部品の詳細に関してさまざまなものがありえ、また方法は、特定のステップおよびシーケンスに関してさまざまなものがありえる。

まず図１を参照すると、本発明によるハイブリッド車（ＨＥＶ）の一実施形態が示され、一般的１０で表されている。図に示されているように、ＨＥＶ１０は、エグゾーストマニホールド１４およびインテークマニホールド１６を有する内燃機関（ＩＣＥ）１２を備える。さらに、ＨＥＶ１０は、電気モーター１８を備える。ＩＣＥ１２およびモーター１８は、トランスミッション２０に機械的に結合されている。ＩＣＥ１２およびモーター１８は、互いに平行になるようにトランスミッション２０に結合されるのが好ましい。トランスミッション２０は、ＩＣＥ１２および／またはモーター１８から１つまたは複数の車輪２２に機械的動力を伝える。

図１は、さらに、電気的バス２６を介してモーター１８に電気的に接続されている電池２４を示す。電池２４は、電力をトラクションモーター１８に供給する。電池２４は、外部充電器（図に示されていない）に接続して充電するか、または好ましくは、後述のように発電機により充電することができることは理解できる。

図１に示されているように、ＨＥＶ１２は、ＩＣＥ１２に接続されたターボチャージャー２８を備える。特に、ターボチャージャー２８のタービン部分３０は、ＩＣＥ１２のエグゾーストマニホールド１４と流体連通し、ターボチャージャー２２のコンプレッサ部分３２は、ＩＣＥ１２のインテークマニホールド１６と流体連通している。それに加えて、発電機３４は、ターボチャージャー２８内から出ているドライブシャフト３６などにより、ターボチャージャー２８のタービン部分３０に機械的に結合される。ターボチャージャー２８のタービン部分３０は、エグゾーストマニホールド１４から出る排ガスにより駆動されるため、発電機３４は、「排ガス駆動式」発電機（ＥＧＤＧ）を備える。ＥＧＤＧ３４は、さらに、接続部３８を介してモーター１８と電池２４との間の電気的バス２６に電気的に接続される。したがって、ターボチャージャーのシャフト３６が回転すると、ＥＧＤＧ３４は、モーター１８用の補助動力として使用できる電力を発生することができる。図に示されているように、ＥＧＤＧ３４は、さらに、電池２４に接続される。ＥＧＤＧ３４は、そのようなものとして、後述のマイクロプロセッサによる調整に従って、電池２４を充電し、および／またはＨＥＶ１０の運転中に電気アクセサリに電力を供給するために使用することもできる。

図１は、ＨＥＶ１０が、さらに、ライン４２を介してＩＣＥ１２に接続されているマイクロプロセッサ４０を備えることを示している。さらに、マイクロプロセッサ４０は、ライン４４を介してモーター１８に接続される。マイクロプロセッサ４０は、さらに、ライン４６を介して電池２４に、ライン４８を介してＥＧＤＧ３４に接続される。図に示されているように、マイクロプロセッサ４０は、さらに、ライン５０を介してターボチャージャーにも接続される。最後に、マイクロプロセッサ４０は、ライン５４を介して圧力センサ５２に接続される。このようにして、マイクロプロセッサ４０は、車両内のこれらのコンポーネントの動作を監視し、調整することができる。

マイクロプロセッサ４０は、ＩＣＥ１２の動作およびモーター１８の電力消費量に基づいて、ＥＧＤＧ３４からモーター１８および電池２４への電力の流れを監視し、制御するために使用することができる。さらに、マイクロプロセッサ４０は、運転中にＨＥＶ１０の要求に基づきモーター１８からトランスミッション２０への動力の伝達を制御するために使用することができる。最後に、マイクロプロセッサ４０は、ＩＣＥ１２によりターボチャージャー２８からブーストが要求された場合などにターボチャージャー２８を制御することができる。圧力センサ５２が装備され、これにより、ターボチャージャー２８のコンプレッサセクション３２の圧力出力を監視し、圧力制御を行う。マイクロプロセッサ制御の下で圧力を制御するために、ウェイストゲートまたは可変ベーンタービン（図に示されていない）を使用可能であることは理解されるであろう。

次に図２を参照すると、本発明による動作ロジック全体の一実施形態が示されており、これは、ｄｏループを含むブロック１００から始まり、動作中、以下のステップが実行される。ブロック１０２で、ＥＧＤＧ３４からトラクションモーター１８に電力が供給される。電力をトラクションモーター１８に供給する代わりに、ＥＧＤＧ３４により発生する電気を使用して、トラクションバッテリー２４を充電することができる。ＥＧＤＧ３４は、トラクションモーター１８に電力を供給し、トラクションバッテリー２４を充電するために使用することができることは理解できる。決定菱形１０４に移動し、ＨＥＶ１０の運転中の高度の変化などにより、ターボチャージャー２８からのブーストが要求されるかどうかが判定される。ブーストが必要ない場合、ロジックはブロック１０２に戻り、ＥＧＤＧ３４からトラクションモーター１８への電力供給は継続する。

他方、ブーストが必要な場合、決定菱形１０４で、ロジックはブロック１０６に移動し、ターボチャージャー２８からＩＣＥ１２にブーストが供給される。その後、決定菱形１０８に進み、ブーストがもう必要なくなったかどうかが判定される。必要でない場合、ロジックはブロック１０２に戻り、ＥＧＤＧ３４からトラクションモーター１８への電力供給は継続する。逆に、ブーストが引き続き必要な場合、ロジックはブロック１０６に戻り、そこで、ターボチャージャー２８からＩＣＥ１２にブーストが供給される。マイクロプロセッサ４２を使用して、ＩＣＥ１２の動作および圧力センサ５２を介したインテークマニホールド１６の絶対圧力に基づきターボチャージャー２８からのブーストがいつ必要かを決定できることは理解できる。

実験で使用される、限定されない、例示的な一実施形態では、ＨＥＶ１０は、ＩＣＥおよびトラクションモーターを装備する、有力なＨＥＶパワートレインである、電気モーターおよび電池並列駆動方式のフォードエクスプローラーである。並列駆動パワートレインでは、ＩＣＥおよびトラクションモーターなど、一次動力源および二次動力源を使用でき、独立して使用することも、一斉に使用することもできる。トラクションモーターおよびトラクションバッテリーは、一次動力源として使用されるのが好ましい。これにより、Ｅ８５燃料を燃焼するサターン１．９ＬＳＩエンジンなどのＩＣＥは、より高い効率およびより低い排ガスに対応するエンジン速度で稼働できる。電気モーターが車両の初期加速用のトルクを供給するので、これらの好ましいエンジン速度は、通常、約１５００ｒｐｍから約４５００ｒｐｍまでの範囲内である。

発電に加えて、ＥＧＤＧは、現在利用可能な標準のターボチャージャーのウェイストゲートまたは可変タービンジオメトリの場合の方法と類似の、タービンにより発生するエネルギーを「無駄に捨てない」方法でインテークマニホールドにかけるブーストの量を制御するために使用できる。振動衝撃が発生し、アセンブリの軸受部を損傷する場合、ウェイストゲートを使用することで、排ガスがタービンをバイパスし、コンプレッサの運転圧をサージリミット以下に保持することができる。可変タービンジオメトリ技術では、タービンの羽根のトリムを変更し、コンプレッサ圧力をサージリミット以下に維持するためにタービンが発生するエネルギーの量を減らす。ＥＧＤＧでは、標準のウェイストゲートを、ＥＧＤＧの電子コントローラの障害が発生した場合のターボチャージャーのバックアップ保護用に使用する。制御障害が生じた場合、ＥＧＤＧは、従来のターボチャージャーのように動作し、したがって、車両に対し破滅的な影響を及ぼすことはなく、修理が実施されるまで車両運転を継続することができる。

好ましい限定されない一実施形態では、ターボチャージャーは、海抜１２０００ｆｔ（０．５４ａｔｍの圧力に対応する）までのすべての高度で、十分なブーストを供給し、インテークマニホールド圧力を設定値に維持することができる。さらに、インテークマニホールドの圧力値は、大気圧の１１／１０（１．１ａｔｍ）として設定されている。１．１ａｔｍの圧力は、ＩＣＥの体積効率の現在の９０％を１００％に近い値に上げるために十分なブーストをかけられるように選択された。１．１ａｔｍの圧力は、タービンによって発生する逆圧を補償するのに役立つ。インテークマニホールド圧力の値は、１００％の体積効率を維持するように調整するか、または車両用途に合わせて意図された性能基準条件を満たすようにマイクロプロセッサにより制御することができることは理解できる。１２０００ｆｔの高度が選択されたのは、その高度が米国内の州間の最も高い山岳路に対応しており、またそれはおそらくＨＥＶが運転される最高の高度であろうからであることは理解されるであろう。

さらに、ターボチャージャーから可能な最良の性能を得るために、コンプレッサ効率は、最大高度に対応するコンプレッサの圧力比つまりブーストで最高でなければならないことも理解されるであろう。これは、ＥＧＤＧを使用することで、高い高度ではブーストを発生し、低い高度では発電するという本発明の意図によるものである。典型的なターボチャージャーコンプレッサの熱力学的効率は、与えられた軸速度についてブーストの関数としてあまり変化することがない、つまり、約１０パーセントから１５パーセントにすぎないことは理解されるであろう。

したがって、わかるであろうが、ターボチャージャーは、高度補償のため、出力制御のため、または高度補償および出力制御の両方のために、制御された一定または可変出口圧力を有する。

図３は、インテークマニホールド圧力を１．１ａｔｍに維持するために必要なコンプレッサの圧力比、つまりブーストを大気圧の関数として示している。図に示されているように、コンプレッサの最大圧力比は約２：１である。コンプレッサのこの最大圧力比は、海抜１２０００ｆｔの高度に対応する。コンプレッサの圧力比２：１、および１．９Ｌサターンエンジンの空気流要件に関して、Ｇａｒｒｅｔｔ（登録商標）ＧＴ１２ターボチャージャーは、入手しやすいターボチャージャーの代表的な実施例として使用されているが、適切なサイズであればどのようなターボチャージャーでも使用できる。

ターボチャージャーのタービン内で発生する出力、ターボチャージャーのコンプレッサにより使用される出力、および発電機を駆動するために使用可能な出力を予測するために、図４に示されている、ＩＣＥおよびターボチャージャーシステムの数学的モデルを開発する必要があった。次いで、ＥＧＤＧで得られる改善を判定するために、ＥＧＤＧシステムによるモデルと、ＩＣＥのみからなる基準モデルとを比較する必要があった。

サターン１．９ＬＩＣＥのモデルは、エタノールＥ８５を燃料として使用する理想オットーエンジンモデルに基づく。この計算は、火花点火内燃機関における燃料についてと同様であろう。図５は、オットーサイクルのＰ−ｖ図を示している。これは、本発明の証明の許容できる近似であることは理解できる。本発明により実現されるＥＧＤＧシステムの実際の利点は、用途により異なることがあり、車載テスト時に得られた相関関係を使用してモデル化されている。

図６に示されている温度および比体積は、図５に提示されている、サターン１．９ＬＩＣＥのオットーサイクルモデルに基づいて実現される。テスト時にいくつかの仮定が置かれたことは理解されるであろう。例えば、作動流体は、図５に示されている、点１と２との間、および点２と３との間の領域内の空気に対する比熱および比熱比、および点３と４との間の排ガスの特性を有する空気であったことは理解されるであろう。

さらに、シリンダバルブの流れの絞りおよびターボチャージャーの吸気配管による圧力損失は、数学的モデルに複雑さを持ち込むことになるため考慮されないが、これは大まかな調査には不要であることは理解されるであろう。上記の仮定により、インテークチャージの特性は、ターボチャージャーのコンプレッサセクションの出口の特性と同じであるとみなすことができ、またターボチャージャーのタービンセクションへの入口の排ガスの特性は、ＩＣＥの出口での特性と同じであるとみなすことができる。現にある事実では、内燃機関とタービンとの間の密結合触媒はタービンの入口温度を高める可能性がある。

オットーサイクルに対応して、加熱と排熱とは、容積一定で断熱的に行われ、圧縮および膨張（出力）過程は、本質的に等エントロピーとみなされる。点１をエンジン吸気状態として、サイクル内の点２における特性を決定するために、以下の式を使用する。

ただし、ｖ_１およびＴ_１は、それぞれ、ターボチャージャーのコンプレッサの後の過給気の比容積および温度に対応し、ｙは、空気の比熱比（１．４）であり、ＣＲは、ＩＣＥの圧縮比（９：１）である。

上記の式から温度Ｔ_２および比容積ｖ_２を使用して、当業でよく知られている空気に対する標準的な熱力学的特性の表から比内部エネルギーｕ_２、および圧力Ｐ_２を決定する。その後、ｕ_２を以下の式で使用して、空気の表からのＴ_３に対応する、ｕ_３を決定する。

ただし、ＬＨＶは、Ｅ８５または燃焼燃料の低い発熱量であり、ｍ_{ｄｏｔｆｕｅｌ}は、燃料の質量流量であり、ｍ_{ｄｏｔａｉｒ}は、空気の質量流量であり、ｍ_{ｄｏｔｅｘ}は、排ガスの質量流量であり、これは、質量保存からｍ_{ｄｔｏａｉｒ}とｍ_{ｄｏｔｆｕｅｌ}の総和である。

エンジンサイクルに関しておいた仮定から、ｖ_３＝ｖ_２である。空気の表とともに、Ｔ_３について決定された値、および比容積について決定された情報を使用して、圧力Ｐ_３およびエントロピーＳ_３を決定することができる。

点４での特性または排気状態を決定するために、以下の式が使用された。

ただし、γは、排ガスの比熱比（１．３３）である。空気の表とともに、前の式で計算されたパラメータおよびエントロピーの仮定を使用すると、排気圧Ｐ_４が得られ、これを使用して、ターボチャージャーのタービンセクションに発生する出力を計算する。

モデルの単純さを維持して概念実証を伝えるために、タービンの動作に関して、（１）タービンは１９２６６５ＲＰＭの一定の速度で稼働する、（２）ターボチャージャーのタービンセクションにおける排気の膨張比は、２：１で一定を保つ、（３）タービンの熱力学的効率は、約６０％で一定を保つという仮定を置いた。

次に、図７を参照すると、典型的なターボチャージャーの性能を決定する熱力学の表現が図示されている。図６の点は、以下の式の中の下付に対応する。

ただし、Ｔ_ｘは、点ｘでの温度であり、Ｔ_ｘｓは、点ｘでの等エントロピー温度であり、ｐ_ｘは、点ｘでの圧力であり、η_ｃは、コンプレッサの等エントロピー効率であり、γは、空気の比熱比（γ＝１．４）である。η_ｃを圧力比（ＰＲ）の関数として決定するために、Ｇａｒｒｅｔｔ（登録商標）ＧＴ１２ターボチャージャーのコンプレッサマップからの点をプロットし、二次多項式の当てはめをデータに適用することができる。この程度の多項式当てはめで、データの最良の当てはめが得られる。しかし、Ｒ^２相関係数は、まだ０．６５にすぎず、あまり密接な相関ではない。ターボチャージャーのメーカー間のコンプレッサ特性に変動があるため、この特定のデータに対する当てはめの質はひどく重要というわけではない。しかし、圧力比を効率に関連付ける代表的な式を用意し、パラメータについて調べることを目的とする機能をモデルに付加することが重要であることは理解できる。

図８は、空気とＥ８５燃料の両方の質量流量を大気圧Ｐ_ａｍｂ（ａｔｍ）の関数として示す。質量空気流（ｋｇ／ｓ）は、左側縦軸に対応し、質量燃料流（ｋｇ／ｓ）は、右側縦軸に対応する。直線当てはめは、低いＰＲ範囲内のデータからの最高の偏差を有し、これは、空気の質量流量、それと同時に、燃料の質量流量は、稼働条件が海抜に近いほど高くなることを示唆している。直線当てはめの式と比較して、実際のデータの効率が高いので、質量流が増大しうる。コンプレッサ上の温度上昇は通常比較的小さく、逆に、空気密度は給気時に高く、理論空燃比を維持するのにさらに多くの燃料を追加する必要がある。

ターボチャージャーのタービン側では、以下の方程式を使用して、排気温度を決定した。

ただし、η_ｔは、タービンの等エントロピー効率であり、γは、排気の比熱比である（γ＝１．３３）。ｎ_ｃの決定に関して提示された問題は、ｎ_ｔについては存在しないことは理解されるであろう。これは、タービンの効率が、仮定されたシャフト回転速度について約６０％で一定に保たれるからである。

コンプレッサがする仕事Ｗｃとタービンがする仕事は、以下のとおりである。

Ｗ_ｃ＝Ｃ_{ｐ，ａｉｒ}（Ｔ_２−Ｔ_１）［ｋＪ／ｋｇ］
Ｗ_ｔ＝Ｃ_ｐ，ｅｘ（Ｔ_３−Ｔ_４）［ｋＪ／ｋｇ］
ただし、Ｃ_{ｐ，ａｉｒ}およびＣ_ｐ，ｅｘは、それぞれ、空気の定圧比熱（１．０１ｋＪ／（ｋｇ＊Ｋ）および排気の定圧比熱（１．１５ｋＪ／（ｋｇ＊Ｋ））に対応する。タービンにより発生する出力、およびコンプレッサにより消費される出力を得るために、適切な作動流体の質量流量（ｋｇ／ｓ）が作動項にかけられることは理解されるであろう。このように稼働することで、ｋＷ単位の電力が得られ、これは、図９に、大気圧の関数として示されている。一番上のライン８０は、タービンにより発生する出力であり、一番下のライン８２は、コンプレッサにより消費される出力であり、中央のライン８４は、発電機を駆動するために利用可能な出力量であり、上のラインと下のラインの差である。

最大２００，０００ｒｐｍまでの速度で動作可能な１０キロワット（１０ｋＷ）発電機、つまりＥＧＤＧの選択は、多数の要因に基づいていることは理解されるであろう。考察されたオプションは、（１）永久磁石、ブラシレスＤＣ（ＰＭ）モーター／発電機、（２）スイッチリラクタンスモーター／発電機（ＳＲＭ）、および（３）高速ＡＣ／発電機を含む。

モーター／発電機は、所望の速度で稼働できなければならないだけでなく、ＩＣＥのエンジンエグゾーストマニホールド領域の高温環境に耐えられなければならない。電気モーター／発電機は動作温度が上昇すると効率を失う傾向があるため、ＩＣＥ筐体の高温環境は、発電についてさらに大きな問題となる。高温の影響を調停するために、液冷式を選べるモーター／発電機は魅力的である。液体対空気の冷却は、液体対空気システムの熱交換器に必要なスペースの量が減らされるため空気対空気の冷却よりも実現性が高い。液冷システムは、さらに、空冷システムの場合よりも高い熱容量も持つ。

本発明では、ＰＭモーター／発電機は、通常、最高４００００ｒｐｍから６００００ｒｐｍの回転速度を有し、これは、望ましい発電特性を得るために必要な速度よりも十分低いことを認識している。さらに、これらのＰＭモーター／発電機は、さらに、比較的効率が低く、これは発電機として動作したときになおいっそう減少する。このように効率が低いため、動作温度が上昇し、その結果、この効果を媒介する冷却システムの熱負荷が高くなりうる。しかし、ＰＭモーターは、モーター制御が比較的容易であり、液冷を選べるため、コストが低く各種用途への適合性が高いという明確な利点を有する。

さらに、本発明では、ＳＲＭは液冷を選べる高温環境を扱える利点を有し、１５０，０００ｒｐｍから２００，０００ｒｐｍの範囲内で高速運転が可能であり、比較的高いモーター作動および発電効率を有することを認識している。しかし、ＳＲＭは、比較的高価であり、比較的大柄になる傾向を有し、応用面で制限を受け、稼働させるのに難しいモーター制御スキームを使用する。

本発明では、さらに、ＡＣモーター／発電機は、制御しやすく、モーター作動と発電との間で生じる効率降下が最小であり、モーター技術の開発歴史が最も長く（したがってコストが低い）、液冷式にできるということも認識している。しかし、ＡＣモーターは、高速動作に対応するために必要な銅巻線の量があるため比較的重くなる傾向を有する。

本発明のＥＧＤＧシステムのテスト用に開発されたフォードエクスプローラーのプラットフォームでは、１８キロワット時（１８ｋＷｈ）の容量および３００ボルト（３００Ｖ）から４００ボルト（４００Ｖ）の範囲の動作電圧電位を有するＮｉＭＨトラクションバッテリーを使用する。

５０％という全発電機効率（発電、整流、トランス、および充電効率を含む）に対する控えめな値については、トラクションバッテリーに使用可能になる電力は、２．２７５ｋＷから３．７６７ｋＷまでの間で変化することは理解できる。４００ボルト（４００Ｖ）の定電圧で、変化する電池充電状態（ＳＯＣ）に対する充電電位を維持するために、６．９３８Ａから９．４１８Ａまでの電流変化が必要である。電流に対するこれらの比較的低い値では、トラクションバッテリーの充電効率は、９５％である。

ＥＧＤＧがトラクションバッテリーに供給できるエネルギーの量を決定するために、ＥＧＤＧが装着されたＨＥＶの運転データを考察する必要があった。すなわち、ＩＣＥが通常運転でどれだけ長く稼働するかということである。上述のフォードエクスプローラーのプラットフォームでは、ＩＣＥは、ＨＥＶの運転時間当たり平均３０分稼働する。そのようなものとして、ＥＧＤＧは、１．３８７ｋＷｈから１．８８４ｋＷｈの範囲のエネルギーをトラクションバッテリーに供給することができる。別の言い方をすると、ＥＧＤＧは、フォードエクスプローラーＨＥＶの大型トラクションバッテリーに、海抜０ではおおよそ９１／２時間のＨＥＶ運転時間内に、また海抜１２，０００ｆｔの高度では１３時間の運転時間内に、電池を完全充電するのに必要なエネルギーを供給できる。しかし、図２とともに上で説明され、フォードエクスプローラーＨＥＶで使用される好ましい制御スキームの場合、ＥＧＤＧがトラクションバッテリーに供給するエネルギーでは、電池充電されないが、代わりに、トラクションモーターを駆動するためには即座に使用できる。したがって、他の方法では無駄に捨てられる排気熱を利用することにより、ＨＥＶの燃費を向上させることができる。本発明のスキームでは、トラクションバッテリーのＳＯＣを２０％に維持しようとする、つまり、トラクションバッテリーの完全充電は、車両運転中には達成されず、車両が配電網に接続され、コンセントから充電する充電サイクルに入っている場合のみ完全充電する。

従来の車両では、目的は、ＥＧＤＧを使用してオルタネータを置き換えることであろう。その後、タービン速度を調整するために、マイクロプロセッサによりウェイストゲートまたは可変ベーンタービンを制御することができ、マイクロプロセッサ制御ウェイストゲートまたは可変タービンを使用できる。

ＥＧＤＧを使用する本発明は、海抜よりも上の高度でのＨＥＶの性能低下の補償およびトラクションバッテリーの充電の両方を行う実現可能な選択肢であることは理解されるであろう。本発明は、典型的なＨＥＶの既存のパワートレインにほとんど修正を加えることなくこれを効果的に行う。ＥＧＤＧは、さらに、ＩＣＥの排気内の他の方法では捨てられてしまうエネルギーを利用して容積効率を高め、ＩＣＥの給気の圧力損失を克服することにより、ＨＥＶの全体的熱効率を約４０％に向上させることができる。

ＩＣＥからの出力を高めることに加えて、インテークチャージの圧縮の結果容積効率が向上するので、ＥＧＤＧはＩＣＥの燃料消費率も改善できる。

本発明は、他の方法でも同様に具現化できることは理解されるであろう。例えば、図１０を参照すると、ターボチャージャー２８内のタービン３０およびコンプレッサ３２は、共通シャフト上にない。したがって、タービンは、コンプレッサを駆動しない。この実施形態では、コンプレッサは、シャフト５８により電気モーター５６に結合され、次に、電気モーターは、接続部６０を通じて電池２４により、および／または接続部６２を通じて排ガス駆動式発電機３４により電力の供給を受ける。電気モーター５６は、さらに、接続６４を通じてマイクロプロセッサ４０にも接続される。したがって、システム全体は、マイクロプロセッサ４０により監視され制御される。

本発明は、さらに、従来の車両で同様に採用することもできる。図１１を参照すると、本発明による排ガス駆動式発電機システムを備える車両２００が示されている。この実施形態では、内燃機関２０２のエグゾーストマニホールド２０４は、排ガス駆動式発電機２０６に接続される。この実施形態ではターボチャージャーがないため、インテークマニホールド２０８に接続する必要はない。さらに、この実施形態はターボチャージャーを含まないため、排ガス駆動式発電機２０６は、エグゾーストマニホールド２０４と流体連通している一体となっているタービン２１０を備えるものとして示されている。それとは別に、別のタービンをエグゾーストマニホールド２０４と従来の発電機との間に配置することも可能であろう。排ガス駆動式発電機２０６は、次に、接続部２１４を通じて車両電池２１２に接続される。内燃機関２０２は、トランスミッション２１６に接続され、さらにこれは、車輪２１６に接続される。マイクロプロセッサ２２０は、ライン２２２を介して内燃機関２０２に、ライン２２４を介して排ガス駆動式発電機２０６に、ライン２２６を介して電池２１２に接続され、ＨＥＶ実装に関して上で説明されているのと同様の方法でシステムの監視および制御を行うものとして示されている。

本発明は、さらに、従来のターボチャージャー付き内燃機関駆動式車両で採用することもできる。この構成は、図１に示されている電池モーター１８が除外されることを除き図１に示されているものと同じである。

上述のように本発明の排ガス発電機システムが従来のターボチャージャー付きの、またはターボチャージャー付きでない、内燃機関駆動車両で採用される場合、このシステムを使用して、車両内の電池を充電し、および／または電気アクセサリに電気を供給するために使用することができ、したがって、車両のオルタネータの代替えとして使用することができる。

上記の説明は多くの詳細を含んでいるが、それらは、本発明の範囲を限定するものとして解釈すべきではなく、本発明の好ましい実施形態の一部を単に例示するだけのものとして解釈すべきである。したがって、本発明の範囲は、当業者には明らかであると思われる他の実施形態を完全に包含していること、また本発明の範囲は、それに従って、付属の請求項以外の内容によりいっさい限定されないことは理解されるであろうし、その中で、単数形の要素を参照していても、特に断りのない限り「唯一の」を意味するのではなく、むしろ「１つまたは複数の」を意味するものとする。当業者に知られている上述の好ましい実施形態の要素に対するすべての構造的、化学的、および機能的等価物は、参照により本明細書に明確に組み込まれており、本発明の請求項に包含されることが意図されている。さらに、本発明の複数の請求項に包含されるので、１つのデバイスまたは方法で、本発明により解決されることが求められるありとあらゆる問題に対応することは必要でない。さらに、本開示の中の要素、コンポーネント、または方法ステップは、いっさい、その要素、コンポーネント、または方法ステップが請求項の中で明示的に記述されているかどうかに関係なく公衆に捧げられることを意図していない。この中の請求要素は、「する（ための）手段」という語句を使用して明示的に引用されていない場合には、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１２、第６段の規定に従って解釈されないものとする。

本発明によるハイブリッド車両のブロック図である。本発明による全体的な動作ロジックの流れ図である。コンプレッサ圧力比（ＰＲ）対１．１ａｔｍの圧力出力に対する大気圧（ａｔｍ）を示すグラフである。本発明の排ガス駆動式発電機システムを適所に備える内燃機関のモデルを示すブロック図であり、出力変数の値は、海抜１２０００フィートのところで運転する場合について示されている。理想オットーサイクルのＰ−ｖ図である。海抜１２０００フィート（１２，０００ｆｔ）、周囲温度華氏６０度（６０°Ｆ）、毎分２５００回転（ｒｐｍ）、体積効率９０％、圧縮比９：１、および空燃比１５：１で動作する理想オットーサイクルを仮定した１．９リッター（Ｌ）サターンエンジンのＴ−ｖ図である。典型的なターボチャージャーのＴ−ｓ図である。図６の仮定に従って動作する従来の内燃機関に対する空気および燃料（ｋｇ／ｓ）対大気圧（ａｔｍ）の質量流量比を示すグラフである。ターボチャージャーの軸動力（ｋＷ）対大気圧（ａｔｍ）を示すグラフである。ターボチャージャーは別のタービンおよびコンプレッサを採用し、コンプレッサは電気モーターを動力源とする図１に示されているハイブリッド車の代替え実施形態のブロック図である。本発明による排ガス駆動式発電機システムを備える従来の内燃機関車のブロック図である。

Claims

内燃機関および電池を備える、車両用のエネルギー制御装置であって、
前記内燃機関からの排ガスにより駆動され、前記電池に電気的に接続される発電機と、
前記発電機の出力を制御して、前記電池を充電し、または、前記内燃機関が動作している間に前記車両内の電気的負荷に電力を供給する手段と
を備えるエネルギー制御装置。
内燃機関および電池を備える、車両用のエネルギー制御装置であって、
前記内燃機関に結合されるターボチャージャーと、
前記ターボチャージャーにより機械的に駆動され、前記電池に電気的に接続される発電機と、
前記発電機の出力を制御して、前記電池を充電し、または、前記内燃機関が動作している間に前記車両内の電気的負荷に電力を供給する手段と
を備えるエネルギー制御装置。
内燃機関および電池を備える車両において、
前記内燃機関からの排ガスにより駆動され、前記電池に電気的に接続される発電機と、
前記発電機の出力を制御して、前記電池を充電し、または、前記内燃機関が動作している間に前記車両内の電気的負荷に電力を供給する手段と
を含む改良された車両。
内燃機関および電池を備える車両において、
前記内燃機関に結合されるターボチャージャーと、
前記ターボチャージャーにより機械的に駆動され、前記電池に電気的に接続される発電機と、
前記発電機の出力を制御して、前記電池を充電し、または、前記内燃機関が動作している間に前記車両内の電気的負荷に電力を供給する手段と
を含む改良された車両。
内燃機関、電気モーター、および電池電源を備える、ハイブリッド電気車両用のエネルギー制御装置であって、
前記内燃機関に結合されるターボチャージャーと、
前記ターボチャージャーに機械的に結合され、前記電池電源に電気的に接続される発電機とを備え、
前記発電機は、前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記電池電源に充電するように構成される
ことを特徴とするエネルギー制御装置。
前記内燃機関が稼働している間に、前記電池電源を充電するため前記発電機の出力を制御する手段をさらに備える、請求項５に記載のエネルギー制御装置。
前記発電機は、前記モーターに電気的に接続され、前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記モーターに少なくとも一部の電力を供給するように構成される、請求項５に記載のエネルギー制御装置。
前記ターボチャージャーは、高度補償のため、または、出力制御のため、または高度補償および出力制御の双方のために、制御された一定または可変出口圧力を有している、請求項５に記載のエネルギー制御装置。
内燃機関、電気モーター、および電池電源を備えるハイブリッド電気車両用のエネルギー制御装置であって、
前記内燃機関に結合されるターボチャージャーと、
前記ターボチャージャーに機械的に結合され、前記電池電源に電気的に接続される発電機とを備え、
前記発電機は、前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記電池電源に充電するように構成される
ことを特徴とするエネルギー制御装置。
前記内燃機関が稼働している間に、前記電池電源を充電するため前記発電機の出力を制御する手段をさらに備える、請求項９に記載のエネルギー制御装置。
前記ターボチャージャーは、高度補償のため、または、出力制御のため、または高度補償および出力制御の双方のために、制御された一定または可変出口圧力を有している、請求項９に記載のエネルギー制御装置。
前記発電機は、前記モーターに電気的に接続され、前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記モーターに少なくとも一部の電力を供給するように構成される、請求項９に記載のエネルギー制御装置。
内燃機関、電気モーター、および電池電源を備えるハイブリッド電気車両用のエネルギー制御装置であって、
前記内燃機関に結合されるターボチャージャーと、
前記ターボチャージャーに機械的に結合され、前記モーターおよび前記電池電源に電気的に接続される発電機とを備え、
前記発電機は、前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記電池電源に充電するように構成され、
前記発電機は、前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記モーターに少なくとも一部の出力を供給するように構成される
ことを特徴とするエネルギー制御装置。
前記内燃機関が稼働している間に、前記電池電源を充電するため前記発電機の出力を制御する手段をさらに備える、請求項１３に記載のエネルギー制御装置。
前記ターボチャージャーは、高度補償のため、または、出力制御のため、または高度補償および出力制御の双方のために、制御された一定または可変出口圧力を有している、請求項１３に記載のエネルギー制御装置。
内燃機関、電気モーター、および電池電源を備えるハイブリッド電気車両において、
前記内燃機関に結合されるターボチャージャーと、
前記ターボチャージャーに機械的に結合され、前記電池電源に電気的に接続される発電機とを含み、
前記発電機は、前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記電池電源に充電するように構成される
ことを特徴とする改良された車両。
前記発電機は、前記モーターに電気的に接続され、前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記モーターに少なくとも一部の電力を供給するように構成される、請求項１６に記載の車両。
前記内燃機関が稼働している間に、前記電池電源を充電するため前記発電機の出力を制御する手段をさらに備える、請求項１６に記載の車両。
前記ターボチャージャーは、高度補償のため、または、出力制御のため、または高度補償および出力制御の双方のために、制御された一定または可変出口圧力を有している、請求項１６に記載の車両。
内燃機関、電気モーター、および電池電源を備えるハイブリッド電気車両において、
前記内燃機関に結合されるターボチャージャーと、
前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記電池電源を充電するための手段と
を含む改良された車両。
前記手段は、前記ターボチャージャーに機械的に結合され、前記電池電源に電気的に接続される、請求項２０に記載の車両。
前記発電機は、前記モーターに電気的に接続され、前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記モーターに少なくとも一部の電力を供給するように構成される、請求項２０に記載の車両。
前記内燃機関が稼働している間に、前記電池電源を充電するため前記発電機の出力を制御する手段をさらに備える、請求項２１に記載の車両。
前記ターボチャージャーは、高度補償のため、または、出力制御のため、または高度補償および出力制御の双方のために、制御された一定または可変出口圧力を有している、請求項２１に記載の車両。
内燃機関と、
電気モーターと、
前記モーターに結合されている電池電源と、
前記内燃機関および前記モーターに結合されるように構成されたドライブトレインと、
前記内燃機関に結合されるターボチャージャーと、
前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記電池電源を充電するための手段と
を含むハイブリッド電気車両。
前記手段は、前記ターボチャージャーおよび前記電池電源に機械的に結合される発電機を備える、請求項２６に記載のハイブリッド電気車両。
前記発電機は、前記モーターに電気的に接続され、前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記モーターに少なくとも一部の電力を供給するように構成される、請求項２６に記載のハイブリッド電気車両。
前記内燃機関が稼働している間に、前記電池電源を充電するため前記発電機の出力を制御する手段をさらに備える、請求項２６に記載のハイブリッド車両。
前記ターボチャージャーは、高度補償のため、または、出力制御のため、または高度補償および出力制御の双方のために、制御された一定または可変出口圧力を有している、請求項２６に記載のハイブリッド電気車両。
内燃機関と、
電気モーターと、
前記モーターに結合される電池電源と、
前記内燃機関および前記モーターに結合されるドライブトレインと、
前記内燃機関に結合されるターボチャージャーと、
前記ターボチャージャーに機械的に結合され、前記電池電源に電気的に接続される発電機とを含み、
前記発電機は、前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記電池電源に充電するように構成される
ことを特徴とするハイブリッド電気車両。
前記内燃機関が稼働している間に、前記電池電源を充電するため前記発電機の出力を制御する手段をさらに備える、請求項３１に記載のハイブリッド電気車両。
前記発電機は、前記モーターに電気的に接続され、前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記モーターに少なくとも一部の電力を供給するように構成される、請求項３１に記載のハイブリッド電気車両。
前記ターボチャージャーは、高度補償のため、または、出力制御のため、または高度補償および出力制御の双方のために、制御された一定または可変出口圧力を有している、請求項３１に記載のハイブリッド電気車両。
内燃機関と、
電気モーターと、
前記モーターに結合される電池電源と、
前記内燃機関および前記モーターに結合されるドライブトレインと、
前記内燃機関に結合されるターボチャージャーと、
前記ターボチャージャーに機械的に結合され、前記モーターおよび前記電池電源に電気的に接続される発電機とを備え、
前記発電機は、前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記電池電源に充電するように構成され、
前記発電機は、前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記モーターに少なくとも一部の出力を供給するように構成される
ことを特徴とするハイブリッド電気車両。
前記ターボチャージャーは、高度補償のため、または、出力制御のため、または高度補償および出力制御の双方のために、制御された一定または可変出口圧力を有している、請求項３５に記載のハイブリッド電気車両。
前記内燃機関が稼働している間に、前記電池電源を充電するため前記発電機の出力を制御する手段をさらに備える、請求項３５に記載のハイブリッド電気車両。
内燃機関、電気モーター、および電池電源を備えるハイブリッド電気車両用の出力制御方法であって、
ターボチャージャーを前記内燃機関に結合する工程と、
発電機を前記ターボチャージャーおよび前記電池電源に結合する工程と、
前記ターボチャージャーを使用して、前記内燃機関の出力損失を補償する工程と、
前記ターボチャージャーにより供給される出力から前記電池電源を充電する工程と
を含む方法。
前記発電機から前記モーターに電力を供給する工程をさらに含む、請求項３８に記載の方法。
内燃機関、電気モーター、および電池電源を備えるハイブリッド電気車両用の出力制御方法であって、
ターボチャージャーを使用して、前記内燃機関の出力損失を補償する工程と、
前記ターボチャージャーからの出力を使用して、前記電池電源を充電するように構成された発電機を駆動する工程と
を含む方法。
前記発電機から前記モーターに電力を供給する工程をさらに含む、請求項４０に記載の方法。