JP2010521616A - フレキシブル燃料パワートレインの最適化 - Google Patents

Abstract

【課題】 エタノール混合液の使用に伴う走行距離の不利益を効果的に著しく削減し、エタノールとガソリンとの任意の混合液で稼働する、ビィークル燃料システムとパワートレインを提供する。
【解決手段】 フレキシブル燃料システム付きビィークルのための燃料システム及びパワートレインは、アルコール−ガソリン混合液を用いている間、エンジン１０の変数およびビィークルのファイナル・ドライブ最適動作効率を制御するためにコントローラシステムを用いる。このシステムは、燃料圧力、燃料流量、空気−燃料流量、空気−燃料温度および弁開閉タイミングの如きエンジン動作変数を変更するようになっている。このシステムは、トランスミッション３２の選択、歯車の変更および差動レイシオの変更の如きエンジンの動作変数を変更するようになっている。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般的にモータービィークルのパワートレインに関するものである。さらに詳細には、本発明は、モータービィークルの、最適化された性能を備えたフレキシブル燃料システムおよびパワートレインに関するものである。

代替え燃料源、およびこれらの燃料で単位量当たりより長い時間運転できるように開発するため、多大な努力がなされてきたにもかかわらず、化石燃料（ガソリンまたはディーゼル）により駆動される内燃式エンジンが、モータービィークルの推進力の主要な形態となっている。代替エネルギー源の開発には長い歴史がある。複数の要因がこの開発の動機づけとなっている。代替の燃料およびエンジンシステムを開発する初期の理由のうちの一つは、従来の燃料資源に対する依存をなくそうという努力に基づくものである。最近は、地球温暖化の原因になることが知られている温室効果ガスの削減に関心が集中している。これらが原動力となって、代替燃料システムに関する開発努力および調査研究のペースを速めている。

代替燃料のいくつかの例として、天然ガス、水素、および、エタノールの如きバイオ燃料が挙げられる。エタノールは燃料として非常に魅力的であることが分かっている。今日、エタノール混合液により稼働することができるエンジンのエタノール混合燃料は、Ｅ０（エタノール含有量がゼロである今日の典型的なガソリン）からＥ８５（８５％のエタノール含有量および１５％のガソリン含有量）までの範囲に及んでいる。このエタノールは、ある穀物類、とくにトウモロコシから容易に生産することができる。また、エタノールの使用は、それがＣＯ２ニュートラルサイクルを備えた再生可能な燃料資源であるため、温室効果ガスの発生を削減することになる。エタノールは、現在広く利用可能な燃料と比べて、経済的により有益なものとなる高い可能性を有している。

燃料として、エタノールは従来のガソリンに代わる代替え品として、従来より大きな可能性を示してきた。現在の燃料基準（例えば、ＡＳＴＭ Ｄ４８１４）では、レギュラーガソリンに対して最大１０％のエタノール含有量のものおよびＥ８５の使用が許されている。したがって、フレキシブル燃料用のビィークル（ＦＦＶ）は、最大Ｅ８５エタノール含有量の燃料により駆動されることが可能であり、世界中で一部の市場において既に投入されている。しかしながら、燃料インフラストラクチャが不足し且つこのことに起因して燃料が入手できないため、フレキシブル燃料用のビィークルはフレキシブル燃料の利点を利用することができないでいた。エンドユーザが広く受け入れる際の障害のうちの一つは、利用可能なビィークルの走行距離が短く（低い熱量）、また、燃料サービスセンターでのバイオ燃料の価格に対する減税がないということであった。たとえば、フレキシブル燃料用のビィークルがＥ８５で動作する際に性能が損なわれることはないものの、１ガロンのエタノールが１ガロンのガソリンよりも少ないエネルギーしか有さないため、フレキシブル燃料用のビィークルは、Ｅ８５の如きバイオ燃料が供給された場合、通常、走行マイル数が１ガロン当たり約２０〜３０％少なくなる。この非効率性の一部は、現在のフレキシブル燃料用のビィークルに見られるベースエンジンの最適化の不足に起因している。具体的に言えば、高いオクタン価にするような、有益なバイオ燃料液体の利点を活用していない。

高いエタノール含有量の燃料の使用による不利益の一部に関しては、エタノールのある熱力学的性質を利用するための専用制御アルゴリズムおよび専用制御ハードウェアを開発することにより除去または削減することができる。より高機能なサブシステム、たとえば直接燃料噴射、可変バルブタイミングおよびターボチャージングが最近の市場に導入されたことにより、エンジンコントロールシステムの複雑さが著しく増大している。いわゆるダウンサイジング・システムは、変位が小さくなるためロスが減少し摩擦が低減するので、フル負荷の状態下において高パワーを生じさせ、部分負荷の状態下において良好な燃費を維持することができる。今日のシステムは、現代のガソリンエンジンのように正確な制御を実行することができる。また、これらの進歩を用いて、インテリジェントな制御アルゴリズムを開発しエンジンハードウェアを修正することによりフレキシブル燃料用のビィークルシステムの性能をさらに向上させることができると考えられている。

したがって、他の多くの技術分野と同様に、フレキシブル燃料用のビィークルにおけるバイオ燃料の使用に対して改良の余地を有する。

したがって、本発明の包括的な目的は、ユーザに対する燃料の経済性の不利益を最小限に抑えることによりエタノール混合液に伴うビィークル走行距離の不利益を効果的に著しく削減しつつ、ゼロから８５パーセントのエタノールまでエタノールとガソリンとの任意の混合液により稼働する、ビィークル燃料システムとパワートレイン、特に、ターボチャージされる直接噴射式ガソリンエンジンのパワートレインシステムを最適化することにある。

さらに詳細にいえば、この開示された発明は、バイオ燃料を使用した場合のスロットル全開時の性能の改良を利点を具備した原動機付きビィークル用のパワートレインを提供する。

この改良された性能により、トランスミッションのドライブラインを異なる動作点に再最適化することができ、このことによりハイブレークな効率のポイントにおいてエンジンを動作させ、ユーザが従来のフレキシブル燃料用のビィークルにおいて受けうる燃料消費量の不利益のうちの一部または全部を軽減することができる。エンジンのトルク性能の変更（ガソリンではなくバイオ燃料混合液により運転されていることに基づく変更）に基づいて、改変されたシフトスケジュールおよび／またはファイナル・ドライブレイシオを用いて、動作マッチングがさらに改良されてよい。本発明の他の実施形態は、エンジンにより発生したトルクの程度に依存して異なる複数の歯車のシーケンスによって伝達するトランスミッションであってよい。異なる組み合わせにかかる複数の歯車によって伝達することにより、異なるパワートレインのマッチングが達成される。

本発明の他の特徴は、添付の図面および添付の請求項とともに好ましい実施形態の詳細な説明を参照すると、明白なものとなる。

本発明をより完全に理解するため、添付の図面により詳細に例示されているとともに、以下に記載されている実施形態を参照する必要がある。

［実施例］
以下の図面において、適用可能な場合には、同一の構成部品を表すために同一の参照番号が用いられる。以下の記載においては、一つの構成された実施形態に対して、さまざまな動作パラメータおよび構成部品が記載されている。これらの特定のパラメータおよび構成部品は、例示することを意図したものであって、限定することを意図したものではない。

図１を参照すると、従来のガソリンに対してバイオ燃料を使用することにより得られる利点がグラフを用いて示されている。エンジン回転数（ｒｐｍ）がｘ軸に沿って示されており、トルク（Nｍ）がｙ軸に沿って示されている。上側のトルク曲線、すなわちアップサイズされた曲線は最適化されたエタノール混合液（Ｅ’ｘ’）のものが示されており、下側のトルク曲線、すなわちダウンサイズされた曲線は従来のガソリン（Ｅ０）のものが示されている。二つのトルク曲線を参照することにより、最適化されたバイオ燃料（この例では、Ｅ８５）が従来の燃料混合液に比べてｒｐｍ当たりより大きなトルクを発生することが明らかである。

さらに、Ｅ８５の如きアルコール燃料は、通常従来のガソリンに比べて非常に高いオクタン価を有しているため、エンジンノックは劇的に低減する。この利点は、ガソリンエンジンが伝統的にノック制限されている（点火タイミングが遅れさせられている）領域において燃焼フェイジングを改良する（最適な点火タイミングにより近いまたはそのタイミングにおける点火タイミング）という形態をとってもよいし、または、ブーストエンジンの場合には、改良された燃焼フェイジングと組み合わされてより高いレベルのブーストが許容されるようになっていてもよい。これらの両方のシナリオでは、エンジンがガソリンでの運転に対して選択され得る同一のまたはわずかに高い圧縮比にあると仮定した場合に、ベースのエンジンのスロットル全開（ＷＯＴ）時のトルクレベルが向上する。ＷＯＴ性能の向上は以前に実証されているものの、このことはバイオ燃料の発熱量の低さに起因して存在する部分負荷における燃料消費量の不利益に対処するものではない。変位に変化がない限り、動作するシリンダの数に変更がない限り、または圧縮比に変更がない限り、この問題に対処することは困難なことである。

図２を参照することにより、Ｅ０を用いた従来のビィークルおよびエタノール−ガソリン混合液を用いたビィークルによる燃料消費量がどのように異なるかについて、より良好な理解が得られる。この図では、一定の速度（たとえば、２０００ｒｐｍ）で動作しているエンジンの典型的なＢＳＦＣ（正味燃料消費率）曲線を示す線グラフがセットで提供されている。ブレーキ平均有効圧力（ｋＰａの単位のＢＭＥＰ）がｘ軸に示されており、ＢＳＦＣ（ｇ／ｋWh）がＹ軸に示されている。図２は、Ｅ０およびバイオ燃料により稼働されるエンジンを比較する典型的なＢＳＦＣ曲線を示す線グラフである。以上により且つこのグラフを考量に入れると、目的が２つの燃料タイプ間において同一の燃料消費量を得るということである場合、ある与えられた速度におけるエンジンの負荷をｘ軸に沿って水平に移動させることが必要となる。図示されているように、速度が速くなるにつれて効率が改善される。

開示されている発明は、図３に示されている如き、ガソリンに対して最適化された先端技術のエンジンを、まず採用することにより、上述の問題を克服する。それを参照すると、エンジンは、１０として全体が示されている。一般的に、前記エンジン１０は、エタノール燃料の取り扱いと耐久性の向上を図るべく、出力される性能の向上を通して、また、フレキシブル燃料用の特定構成部品を用いることを通して、バイオ燃料資源の利用を可能としている。

エンジン１０は、シリンダとシリンダブロックのアッセンブリ１２と、ブースタ・アッセンブリ１６に向かう吸気口１４と、温度を下げるためのインタークーラ１８と、触媒コンバータ２２を含む排気システム２０とを備えている。前記ブースタ・アッセンブリ１６は、好ましくは、ターボチャージャまたはスーパチャージャのいずれかである。ターボチャージャである場合、必ずというわけではないが、前記アッセンブリ１６は、幾何学形状が変形可能なタイプのターボチャージャ（ＶＧＴ）であることが好ましい。エンジンコントロールシステム２４が設けられている。また、燃料中のアルコール（もし存在すれば）のパーセンテージを検出するためのアルコール燃料センサー２６が設けられている。前記エンジンコントロールシステム２４は、検出された燃料のエタノール含有量に基づいて制御パラメータをオンライン状態で最適化するように適合させる最適化フィードバック制御アルゴリズムと適切な制御ソフトウェアを通じて、ここに記載されるエンジン制御戦略を採用した、閉ループシステムであることが好ましい。このフィードバック制御アルゴリズムにより、最適な燃料供給タイミングおよび点火タイミングが提供される。

前記エンジン１０およびこれに関連するエンジンコントロールシステム２４がドライブトレインと共に用いられる。この構成が図４に記載されている。それを参照すると、エンジン１０およびエンジンコントロールシステム２４は、３０で全体が表されているビィークルドライブトレインの一部である。前記ドライブトレイン３０は、当該技術分野において公知になっている複数の内歯歯車および歯車チエンジャーを有するトランスミッション３２（手動または自動）と、トランスミッション・コントローラ３３と、ドライブシャフト３６と差動アッセンブリ３８を有するファイナル・ドライブ３４とを備えている。前記差動アッセンブリ３８は、当該技術分野において知られているような特定の可変ドライブレイシオを達成するように調整されうる複数の歯車と、差動コントローラ３９とを有している。ドライブシステムコントローラ４０は、以下に記載されるようにギヤ・レイシオおよび歯車シーケンスを最適化するために、エンジンコントロールシステム２４と共動する。もちろん、前記ドライブトレイン３０は、後輪駆動型のものであるが、いうまでもなく本発明は、ほとんど修正することなく前輪駆動型のビィークルに適用することができるものであることが理解されるであろう。

前記トランスミッション３２および差動アッセンブリ３８は、エンジンコントロールシステム２４と共に動作するドライブシステムコントローラ４０により制御され、さまざまな動作点において連続的に再最適化され、このことによりエンジンをハイブレークな効率のポイントにおいて動作させるようになっている。このシステムにより、従来のフレキシブル燃料用のビィークルを運転しているユーザが受ける燃料消費量に関する不利益のうちの一部または全部が軽減される。エンジンのトルク性能の変更（従来の混合ガソリンではなくバイオ燃料により駆動されていることに起因する変更）に基づいて、変更されたシフト・スケジュールおよび／または修正されたファイナル・ドライブレイシオを用いて、動作マッチングがさらに向上される。また、トランスミッション３２は、エンジンで発生するトルクの程度に応じて、トランスミッション・コントローラ３３を通じてドライブシステムコントローラが指示するような、前記複数の歯車の異なる歯車列を動作させることも可能である。複数の歯車の異なる組み合わせで駆動させることにより、異なるパワートレインマッチングが達成される。したがって、ドライブシステムコントローラ４０と共に動作するエンジンコントロールシステム２４は、任意のエタノールベースの燃料混合液（最大８５％のエタノール）の使用を可能とし、ガソリンでの運転下におけるエンジンの性能を損なわない。開示された発明は、Ｅ０で動作するビィークルと比較してビィークルの走行距離の不利益がほとんど又は全くない本格的なフレキシブル燃料用のビィークルのための、ドライブラインを提供している。

図５および図６には、検出されたエタノール燃料で優れた燃料効率および性能を達成するために、インテリジェントトランスミッションおよびドライブラインマッチングによるパワートレインマッチングの最適化が示されている。まず図５に関しては、最適化されたギヤ・レイシオを示すグラフが示されている。それを参照すると、エンジン回転数（ｒｐｍ）がｘ軸に沿って示されており、ＢＭＥＰ（ｂａｒ）がｙ軸に沿って示されている。このグラフには、効率等高線で示されたトルク曲線の混合したものが示され、トランスミッション３２の理想的な歯車マッチングについての情報が提供されている。

図６には、負荷とエンジン速度とに基づいた異なるエンジン動作効率が示されている。この図を参照すると、エンジン回転数（ｒｐｍ）がｘ軸に沿って示されており、負荷がｙ軸上に示されている。このグラフには、Ｅ８５または他のバイオ燃料が用いられる場合に効率の向上に必要な所望の動作点が示されている。

したがって、エンジンコントロールシステム２４には、広範なエンジン動作特性に応じてエンジン効率に影響を与える変数の既知のデータに基づいたアルゴリズムを有するソフトウェアが設けられている。動作においては、エンジンコントロールシステム２４は、センサー２６により燃料に存在すると判断されたアルコールのパーセンテージに基づいて燃料流量、燃料圧力および点火タイミングに対する修正を通じて、エンジン１０の効率を最大限に引き出すように動作する。ドライブシステムコントローラ４０と共に作動し、ドライブトレイン効率に影響を与える変数の既知のデータに基づいた適切なアルゴリズムを備えた適切なソフトウェアに基づいて、さらなる修正がファイナル・ドライブ３４に対して加えられる。具体的に言えば、および上述のように、ドライブシステムコントローラ４０からの指示に従って動作するトランスミッション・コントローラ３３の該動作に基づいて前もって確立されている較正点に基づいて、トランスミッション３２の歯車列を変更することができる。（自動トランスミッションに対して同様の変更をなすことができ、このことによりトランスミッションのシフトスケジュールの変更を採用することができるようになる。）トランスミッション３２の歯車列の変更は、検出されたアルコール混合液の関数として低点のさまざまな速度において行うことができる。これに加えて、アルコール混合液の消費量の関数としてのエンジンの負荷または動作点を変更するのに、複数の歯車の異なる組み合わせを用いることができる。

トランスミッションのギヤチェンジまたはトランスミッション歯車の組み合わせの変更の代替え案として、または、そのような変更と共に、ドライブシステムコントローラ４０は、エンジンコントロールシステム２４と協働し、可変ファイナル・ドライブレイシオを有している差動アッセンブリ３８に対して性能を最大限に引き出すよう及び前もって搭載されているソフトウェアに従って、そのレイシオを修正するように（または、他の内歯歯車に変更をするように）指示することができる。ドライブシステムコントローラ４０は、差動コントローラ３９への信号に基づいて前記レイシオの変更を行う。

開示された発明のさらなる変形例として、エンジン１０とトランスミッション３２との間に、可変レイシオ・コンポーネント４２を介装してもよい。たとえば、可変レイシオ・コンポーネント４２は、ある可変レイシオ、たとえば２：１の比までの可変機能が与えられ、そして、連続的に前記レイシオを変更可能であってよい。可変レイシオ・コンポーネント４２は、ドライブシステムコントローラ４０と協働し、センサー２６により最初に決められたアルコール混合比の関数としてレイシオを変更してよい。

本発明が、その一または複数の実施例について記載されているが、言うまでもなく、ここに記載された具体的なメカニズムおよび技術は、本発明の特質を例示することのみを意図して説明されたものであり、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想および技術範囲から逸脱することなく、前記記載の方法および装置にさまざまな変更を加えてもよい。

本発明は、モータービィークルのフレキシブル燃料システムおよびパワートレイン等として使用される。

ターボチャージャ付きの直接噴射エンジンがＥ８５の如き高オクタン価のバイオ燃料で駆動され場合のそのトルク曲線の改善状態を示す線グラフである。 Ｅ０およびバイオ燃料により駆動されるエンジンを比較する典型的なＢＳＦＣ曲線を示す線グラフである。 典型的なターボチャージャ付きで点火式の直接噴射型エンジンの構成を示す概念図である。 図３のエンジンを組み入れた典型的なドライブラインのレイアウトを示す概念図である。 典型的なトランスミッションマッチングを示すグラフである。 Ｅ０により示された従来のドライブトレインマッチングのための典型的な動作点を有するドライブサイクル、およびＥ８５またはバイオ燃料を使用するためにドライブトレインのマッチングが変更されたときの改良された動作点の効果を有するドライブサイクルにおける、駆動サイクル上の高エネルギー利用点を示している。

Claims (20)

1. アルコール−燃料混合液を用いた内燃式エンジンを有するビィークルのためのシステムであって、このシステムが、
   燃料システムと；
   アルコール含有量特定システムと；
   直接燃料噴射システムを有し、前記燃料システムと前記アルコール含有量特定システムと協働するエンジンと；
   変更可能な動作パラメータを有するファイナル・ドライブシステムと；
   前記燃料システム、前記アルコールセンサー、前記エンジンおよび前記ファイナル・ドライブシステムと動作可能に協働するシステムコントローラとを備えている。
2. 前記システムコントローラが、システム−オペレーティングソフトウェアを有しており、該ソフトウェアがシステム制御アルゴリズムを有している請求項１記載のシステム。
3. 前記システムコントローラが、エンジンコントローラとファイナル・ドライブコントローラとを有している請求項２記載のシステム。
4. 前記直接燃料噴射システムが、ターボチャージャおよびスーパチャージャからなるグループから選択されるブースタを有しており、前記システムコントローラが前記ブースタと動作可能に協働する請求項１記載のシステム。
5. 前記ファイナル・ドライブシステムが、トランスミッションと差動装置とを有している請求項１に記載のシステム。
6. 前記トランスミッションが、複数の歯車とトランスミッション・コントローラとを有しており、前記トランスミッション・コントローラが前記システムコントローラに応答して前記複数の歯車を変更する請求項５記載のシステム。
7. 前記トランスミッションが、複数の歯車とトランスミッション・コントローラとを有しており、該トランスミッション・コントローラが前記システムコントローラに応答して複数の歯車の組み合わせを変更する請求項５記載のシステム。
8. 前記差動装置が、可変レイシオ装置と差動コントローラとを有しており、前記差動コントローラが前記システムコントローラに応答して複数のギヤ・レイシオを変更する請求項５記載のシステム。
9. 前記ファイナル・ドライブシステムが、トランスミッションと、前記エンジンと前記トランスミッションとの間に設けられる可変レイシオ・コンポーネントとを有しており、前記可変レイシオ・コンポーネントが前記システムコントローラと協働して作動可能である請求項１記載のシステム。
10. アルコール−燃料混合液を用いた内燃式エンジンを有するビィークルのためのシステムであって、このシステムが、
    燃料流量および燃料圧力を調節可能な燃料システムと；
    アルコール含有量特定システムと；
    直接燃料噴射システムを有し、前記燃料システムと前記アルコール含有量特定システムと協働し、点火タイミングが調整可能なエンジンと；
    前記燃料システム、前記アルコール含有量特定システム、前記エンジンと動作可能に協働し、前記ビィークルが作動中に燃料流量、燃料圧力および点火タイミングを調整するシステムコントローラとを備えている。
11. ファイナル・ドライブシステムをさらに備えており、該ファイナル・ドライブシステムが変更可能なドライブパラメータを有している請求項１０記載のビィークルのためのシステム。
12. 前記変更可能なドライブパラメータが、変更可能な複数のギヤ・レイシオを含んでいる請求項１１記載のビィークルのためのシステム。
13. 前記変更可能なドライブパラメータが、変更可能な歯車選択を含んでいる請求項１１記載のビィークルのためのシステム。
14. ブースタをさらに備えており、該ブースターが、ターボチャージャおよびスーパチャージャからなるグループから選択される請求項１０記載のビィークルのためのシステム。
15. 前記システムコントローラが、システム−オペレーティングソフトウェアを有しており、該ソフトウェアがシステム制御アルゴリズムを有している請求項１０記載のビィークルのためのシステム。
16. 前記システムコントローラが、エンジンコントローラとファイナル・ドライブコントローラとを有している請求項１５記載のビィークルのためのシステム。
17. ファイナル・ドライブシステムをさらに備えている請求項１０記載のビィークルのためのシステム。
18. 前記ファイナル・ドライブがトランスミッションを有し、該トランスミッションが複数の歯車とトランスミッション・コントローラとを有し、前記トランスミッション・コントローラが前記システムコントローラに応答して複数の歯車を変更する請求項１７記載のビィークルのためのシステム。
19. 前記ファイナル・ドライブが差動装置を有し、該差動装置が可変レイシオ装置と差動コントローラとを有しており、該差動コントローラが前記システムコントローラに応答してギヤ・レイシオを変更する請求項１７記載のビィークルのためのシステム。
20. アルコール−燃料混合液を用いた内燃式エンジンを有するフレキシブル燃料用のビィークルを動作させるための方法であって、この方法が、
    燃料を有する燃料システムと、アルコール含有量特定システムと、ブースト付き直接燃料噴射システムを有するエンジンと、ファイナル・ドライブシステムと、前記燃料システム、前記アルコールセンサー、前記エンジンおよび前記ファイナル・ドライブシステムと動作可能に協働するシステムコントローラとを備えている動作システムを形成し、
    アルコールが前記燃料に存在するか否かを判定し、
    アルコールが前記燃料に存在する場合、前記燃料のアルコールのパーセンテージを求め、
    前記燃料のアルコールのパーセンテージに応じて、燃料流量、燃料圧力、点火タイミング、ドライブトレインの歯車変更およびドライブトレインのギヤ・レイシオを変更する前記動作システムの一または複数の変数を変更することを含む。

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