JP2016509970A - ターボ充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書に記載の実施形態は、電力を使用して車両の効率を改善する良好な性能を与える効率的で信頼性が高く低コストのシステムに対する簡易化されたターボ充電装置を提供する。【解決手段】本明細書に記載の実施形態は、電気モータと燃焼エンジンを有するハイブリッド車両とともに使用することで、そのような車両の燃料効率を改善することができる。車両の排気流中にタービンを配置することができ、タービンは、車両のバッテリを充電するための発電機に連結される。タービンは、バッテリの充電、タービンの回転速度、タービン内の圧力、エンジンの速度、又は上記の組合せに応じて、排気流がタービンに入ること、又はタービンを迂回することを可能にするためのウェイストゲートを含むことができる。【選択図】図５

Description

関連出願の相互参照
本出願は、全体として参照により本出願に組み込まれている、2013年2月15日出願の米国仮特許出願第61/765,459号に対する優先権の利益を主張する。

本出願は、エンジンからの排気ガスを使用して電気モータを充電することに関する。本明細書に記載の実施形態は、ハイブリッド車両の効率を増大させるために使用される。

ハイブリッド電気車両は、現在、内燃エンジン(通常は、ガソリン又はディーゼル)とともに電気モータを用いて、エンジンがより効率的に動作することを可能にすることによって、燃費を改善する。典型的には、モータは、車両の動作全体にわたって単独で使用され、又は車両の始動時及び大部分の加速中など、エンジンにとって最も非効率的になるはずの時間中に燃焼エンジンとともに使用される。モータが使用されていないとき、燃焼エンジンは、車両に動力供給するために使用され、又はモータのバッテリを再充電するために使用される。したがって、エンジンは概して、最適な状態又はより効率的に好ましい状態で使用され、これによりエンジン性能を最適化し、燃料を節約する。

一部の車両は、ターボチャージャーを使用し、車両排気からの廃熱を使用して、追加の動力を車両に提供する。場合によっては、廃熱を機械エネルギーに変えるために、排気経路内にタービンが配置される。そして、タービンは概して圧縮器に結合され、圧縮器を使用して、空気を圧縮してエンジン内へ送る。この圧縮空気により、エンジン内へ追加の燃料を注入して燃焼させ、同一の構成スペースで追加の動力を提供することが可能になる。

ハイブリッド車両のコストは、概して、同等の内燃エンジン車両のコストより大きい。コストは、ガソリンの節約によって少なくとも部分的に抑制される。しかし、ハイブリッド車両の燃料効率は、他の誘因なしに顧客にハイブリッドの選択を促すほど十分に高くないこともある。場合によっては、一部の中型ハイブリッド車両は、小型の内燃エンジン車を選択した場合と比べて、燃費が同等以下になることがある。

実施形態には、車両からの排気ガスによってタービンブレードが回され、タービンブレードはシャフトを介して発電機に接続される、ターボ充電装置が記載される。この発電機は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、車両のバッテリを再充電するための動力を供給する。一実施形態では、バッテリは、電気ハイブリッド車両の電気モータに電力を供給する。電子式でコンピュータ制御式のウェイストゲートなどの他の機構をタービンとともに使用して、タービンの回転速度を制御し、バッテリの過充電を防止し、又は排気へ無制限の流れを供給してエンジンの性能を改善することができる。例示的な実施形態では、タービンは、連結された発電機に合わせた所望の速度で回転するように設計され、これにより、ギア減速、冷却、精密加工などの必要をなくし、又は低減する。

排気流路、発電機に対する固定シャフトタービン、発電機、電力変換装置/制御装置、及びバッテリを含む、本発明の例示的な実施形態のブロック図である。 排気流路、減速ギアセット、タービン、発電機、電力変換装置/制御装置、及びバッテリを含む、本発明の例示的な実施形態のブロック図である。 タービンを通過する排気を制御するためのウェイストゲートを有する、例示的な実施形態を示す図である。 排気ハウジング内部に配置された平面的なゲートバルブを有する、例示的な実施形態を示す図である。 ターボ充電装置の有用性を向上させるように構成された代替排気導管を含む、例示的な実施形態を示す図である。 図5の例示的な排気導管をより詳細に示す図である。

以下の詳細な説明では、限定ではなく例示を目的として、本発明の原理を示す。この説明は、当業者が本発明を構成及び使用可能にすることが明らかであり、本発明を実施する最良の形態であると現在考えられているものを含めて、本発明のいくつかの実施形態、適用例、変形例、代替形態、及び用途について説明する。図面は、本発明の例示的な実施形態の概略的且つ模式的な表現であり、本発明を限定するものではなく、必ずしも原寸に比例して描かれていないことを理解されたい。

本明細書に記載の実施形態は、電力を使用する車両の効率を改善する良好な性能を与える効率的で信頼性が高く低コストのシステムのための簡易化されたターボ充電装置を提供する。本明細書に記載の実施形態は、電気モータと燃焼エンジンを有するハイブリッド車両とともに使用することで、そのような車両の燃料効率を改善することができる。

例示的な実施形態では、車両排気の排気流中にタービンが配置される。シャフトは、タービンを発電機に連結する。発電機は、電気モータに電力を供給するバッテリを充電するのに使用される。例示的な実施形態では、タービンを発電機に連結するのに、単一の固定シャフトが使用される。タービンは、タービンと発電機との間に伝動装置を必要としないような、所望の最適な回転で動作するように構成することができる。

図1は、電気ハイブリッド車両に使用するためのターボ充電装置2のブロック図の例示的な実施形態を示す。電気ハイブリッド車両は、燃焼エンジンからの通常の排気4を含む。燃焼エンジンの排気4の経路内に、タービン6が配置される。タービン6は、発電機8に連結される。発電機8は、電力変換装置10を介してバッテリ12に接続される。代替として、又は同時に、発電機8は、ハイブリッド電気車両の電気モータに直接又は間接的に接続することもできる。たとえば、電力変換装置は、バッテリ12と電気車両の両方に直接接続される電力制御装置とすることができる。これにより、ターボ充電装置は、電気モータに直接電力を供給することができ、又はバッテリ12を直接充電することによって、電気モータに間接的に電力を供給することができる。また、バッテリ12を使用して、電気モータの代わりに、又は電気モータに加えて、車載システムに電力を供給することもできる。ワイアを使用して、発電機8を電力変換装置10に接続し、次いでバッテリ12に接続することができる。シャフト、ギア、及び/又は連結部を使用して、タービン6を発電機8に連結することができる。

車の内燃エンジンは、速度(rpm)を増大させるにつれて、タービン6の回転速度を上昇させる。タービン6は、ターボチャージャーのように遠心圧縮器又は送風器に接続されるのではなく、発電機8に接続される。発電機は、電力制御装置/変換装置10に電流を送る。次いで電力制御装置/変換装置は、電流を交流(AC)から直流(DC)へ変換し、バッテリ12によって使用可能な電圧に変換する。これにより、タービン6を使用して、ハイブリッド車両のバッテリを充電し、エンジンの排気において廃熱及び圧力の形で失われるはずのエネルギーの大部分を取り込む。そして、発電機によって生成された電力は、電気モータに直接供電することができ、又はバッテリを充電することができ、このバッテリを使用して電気モータを回転させることができる。電気モータは、通常、ハイブリッド車両の推進を補助するであろう。

例示的な実施形態によれば、タービンは、現在使用されている通常のターボチャージャーより遅い速度、すなわち毎分100,000回転(rpm)余りで動作することができる。そのようなタービンは、たとえば、25,000rpm、好ましくは約5,000rpmから15,000rpmまでの間の最大速度で動作することができる。速度を低減することで、流体軸受け又は精密玉軸受けの必要性をなくし、タービンに関連する製造コストを低減することができる。代替実施形態では、発電機は、典型的なタービンより速い速度で動作するように変更することができる。発電機及びタービンは、付加的なエネルギーから生成される熱を低減するために、液体冷却器などの冷却システムを含むことができる。また、流体軸受け及び精密玉軸受けを使用して、過熱を防止し、信頼性を向上させることができる。

シャフト及びギアを含む一つ以上の連結部を通じて、タービン6を発電機8に連結することができる。図1は、タービンが発電機に直接連結される例示的な実施形態を示す。図示のように、単一の固定シャフトが、タービン6からの動力を発電機8へ伝達する。また、タービン6と発電機8との間では、一つ以上の連結部、ギア、又はシャフトを使用することもできる。しかし、図1では、接続は、固定シャフトを介した直接接続であり、これにより、タービンは、発電機と同じ速度又はほぼ同じ速度で回転する。したがって、タービン及び/又は発電機の一方又は両方は、他方の回転速度に対応する回転速度を課すように作ることができる。

図2に示すように、例示的な実施形態によれば、本発明のタービン又は既存のタービンとともに、減速ギアセット14を使用することができる。減速ギアを使用することで、50,000rpm以上で回転する既存のタービン設計の使用が可能になる。たとえば、100,000rpmで回転するタービンを減速ギアセットとともに使用することで、タービンの回転を発電機の回転に強制的に整合させるのではなく、発電機が僅か50,000rpm、20,000rpm、10,000rpm、又はそれ以下で回転することを可能にすることができる。図示のように、タービン6は、タービンシャフト16及びタービンギア18を含む。発電機8は、発電機シャフト22及び発電機ギア20を含む。発電機ギア20とタービンギア18は噛合し、これによりタービンギア18が発電機ギア20を回転させる。発電機ギア20はタービンギア18より大きいため、発電機は発電機と同じ速さで回転する必要はない。

図3に示すように、例示的な実施形態では、ウェイストゲート24を使用して、エンジンの排気4を誘導し、タービン6を通る排気を制御することができる。ウェイストゲート24は、システム内に組み込まれたコンピュータ制御式で電子作動式のウェイストゲートとすることができる。ウェイストゲートは、設定された閾値に到達したときに開き、圧力を解放する。ウェイストゲートは、タービンから排気流をそらして、タービンが急速に回転し過ぎるのを防止することができる。したがって、高圧の場合、ウェイストゲートを使用して、車両排気からの流路を開き、タービンの回転を低減することができる。しかし、低圧から中圧の場合、ウェイストゲートは、典型的には閉じたままであり、これにより、低圧から中圧の排気がタービンに入るようにする。

しかし、エンジンが停止又はアイドリング状態から回転速度を上げるときのように、低い圧力及びrpmの場合、流路が遮られることでエンジン効率が低減する。したがって、本発明の実施形態は、燃焼エンジンの排気からの妨げられない流れを可能にするのに最適な動作圧力を決定することができるコンピュータ作動式のウェイストゲートを含むことができる。たとえば、ソフトウェア及び/又はハードウェアを使用して排気内の圧力を検出し、このデータをエンジン速度とともに使用して、ウェイストゲートをいつ開くべきかを決定することができる。一実施形態によれば、ウェイストゲート24は、エンジンがアイドリングしている状態から約1,500rpmから2,500rpmまでで車が加速している間に開いて、低圧で自由な排気の流れを可能にすることができる。次いで、ウェイストゲートを閉じて(又は部分的に閉じて)、廃ガスが廃棄エネルギーをタービンに与えることを可能にすることができる。次いで、ウェイストゲートは、特定の充電閾値が得られたときなどのバッテリの動作状態に応じて、又はタービンによって若しくはタービンにおいて実現される速度及び/若しくは圧力に応じて、再び開くことができる。ウェイストゲートを開くことができる高圧は、約12psi以上であると推定される。ウェイストゲートを開いたままとすることができる低圧は、0psiから3psi程度であると最初に推定される。これらの最初の推定は、エンジン速度、バッテリの充電状態、及び車両が加速しているかどうかを含む広範囲の要因によって決定される単なる指針である。理論上、バッテリがすでに完全に充電されていないものと想定して、車が高速道路の速度で走行している間、ウェイストゲートは閉じたままである。

たとえば、現世代(第2世代)のフォードヒュージョンハイブリッド(Ford Fusion Hybrid)は、短い距離であれば電気のみの動力で高速道路を62mphで走行することが可能である。フォードヒュージョンハイブリッドが55mphの定速で走行していると想定する。フォードヒュージョンハイブリッドは、そのバッテリパックが非常に制限されていることを考えれば、数マイルを超えてこの速度を持続することはできない。しかし、パワートレインにターボ充電装置が取り付けられた場合、本明細書に記載の実施形態によれば、ウェイストゲートは、高速道路の走行速度で閉じたままとなるはずであり、主導管へ流れる排気流により、タービンの回転速度を強制的に上昇させる。そして、タービンは、発電機を回転させて(場合によっては、減速ギアセットを使用)、電力変換装置へ電流を送る。そして、電力変換装置は、電気モータに直接的に電力を供給し、又はバッテリを充電する。普通なら廃棄される熱エネルギーであったはずのものを、ここでは機械エネルギーに変え、最終的には電気エネルギーに変えることによって、バッテリが常に充電されているとすることを考慮すれば、バッテリは高いレベルの充電を維持することができる。次にバッテリは、車の電気モータに電力を供給することができ、又は電力制御装置から電気モータに直接的に電力を供給して、55mphで車を推進させるのを補助することができる。従来のシステムでは、ガソリンエンジンは、ターボ充電装置なしですべての仕事を行っていたはずである。ターボ充電装置は、タービン、発電機、減速ギアセットの損傷を引き起こし、又はバッテリを過充電し得る特定の非常に高い閾値に圧力が到達するまで、常時働き続けることができる。その時点で、ウェイストゲートが開き、排気ガスが迂回導管に入ってタービンからそらされることを可能にすることができる。ウェイストゲートは、車が停止状態まで減速しているときでも、少なくともある程度の排気ガスを取り込み続けて、タービンを回転させ続けるため(より低いRPMであっても)、通常は閉じたままとすることができる。車が再び加速し始めると、ウェイストゲートが開いて、ガソリンエンジンが加速するにつれて自由に吸気することを可能にする。したがって、ウェイストゲートの(開く、閉じる、又は部分的に開く)位置は、タービン(及び発電機)のRPM速度、ガソリンエンジン速度、排気流の圧力、バッテリの充電状態、及び車が加速しているか否かなどの要因を利用する固有のアルゴリズムによって決定される。

図3に見られるように、例示的な実施形態では、ウェイストゲート24を使用して、車両排気からの追加の圧力を抜き、ターボ充電装置2を迂回させることができる。ウェイストゲート24は、排気圧力、エンジン速度、及びバッテリの充電量を検出する一つ以上のセンサに接続することができる。ウェイストゲートを開いて、タービンにおける圧力を軽減することができるので、タービンの速度を制御することができる。ウェイストゲートは、バッテリが十分に充電されたときに開くことができるので、バッテリは過充電されない。ウェイストゲートは、エンジンが回転速度を上げているときなど、低圧中にも開くことができるので、遮られる排気流が最小限になる。したがって、ウェイストゲート24を使用して、車両の動作状態、エンジン速度、タービン、モータ、及びバッテリに応じて、エンジン及び/又はモータの効率を改善することができる。

図4に見られるように、例示的な実施形態では、排気ハウジング32の内部に、概して平面的なゲートバルブ26を配置することができる。一実施形態では、平面のゲートバルブ26は、略円形とすることができ、又は排気ハウジング32の内部構成に整合するその他の形にすることができる。バルブ26は、コンピュータによって制御される電気モータ28によって作動されるヒンジ30によって、排気導管32に連結することができる。円形のバルブは、完全に閉じることができ、すなわち流れに対して垂直であり、若しくは完全に開くことができ、すなわち流れに対して平行であることができ、又は平行と垂直との間の中間位置で部分的に開く/閉じることができる。例示的な代替実施形態では、ウェイストゲートは、ばねによって操作されるものなど、コンピュータ制御式のダイアフラムから構成することができる。

図5は、ターボ充電装置の適用性を向上させるように構成された代替排気導管を組み込む例示的な実施形態を示す。図6は、図5の例示的な排気導管をより詳細に示す。例示的な実施形態では、排気導管は、所望の排気圧力又は改善された排気圧力をタービンに提供するように構成することができる。たとえば、タービン6の前に、且つ/又はタービン6と直列に、漸次拡大する排気導管を組み込むことができる。この構成により、排気流からの流体が広がることが可能になり、タービンに入る前にその圧力を低減する。タービン入口の圧力をより低くすることで、タービンはより低速で回転し又は回ることが可能になる。また、導管の体積を増大させることで、より大きいタービンを排気導管内に収めることが可能になる。実際上、このシステムは、流体がより大きい面積に作用してより低い圧力でより大きいタービンを回すことを可能にする。

図5及び図6に示すように、燃焼エンジンから出る排気導管4は、複数の部分を備えることができる。第1の部分4aは、ほぼ同一の寸法及び構成の排気導管の延長部とすることができる。第1の部分4aは、燃焼エンジン排気4からの排気をタービン6の方へ誘導する。第2の部分4bは、直径が徐々に増大するのど領域を有し、排気導管を第1の部分から第3の部分4cまで遷移させる。第3の部分4cは、第1の部分4aより直径が大きく、それに対応してより大きい面積を有する。

第3の部分の寸法は、タービン及び発電機に関連して選択される。考慮すべき点は、(1)タービンの寸法を増大させて表面積を増大させ、排気からの廃棄エネルギーを取り込む効率を改善すること、(2)直接シャフト又は適当な減速ギアセットによって、タービン回転速度を発電機の回転能力に整合又は低減することを含む。第2の部分4bは、第1の部分と第3の部分とを連結して、導管を第1の部分の寸法から第2の部分の寸法に遷移させる。図示のように、例示的な実施形態では、第2の部分4bは、第1の部分のより小さい直径から第3の部分のより大きい直径へと、概ね逆テーパー状にすることができる。排気導管はまた、燃焼エンジンからの排気をタービン6からそらしてウェイストゲート24に通すための第4の部分4dを備えることができる。第4の部分4dは、燃焼エンジンからの第1の部分4a及び/又は排気4と同じ、より小さい、又はより大きい寸法とすることができる。

漸次拡大する排気導管は、遅延及び応答時間を増大させるはずであるため、性能に焦点を当てた従来のターボチャージャーにとって著しい問題を提示するはずである。しかし、本明細書に記載の実施形態によるターボ充電装置では、効率が改善されており、性能を向上させるのにほとんど瞬間的な反応時間は不要である。より大きくより重いタービンはより低い圧力で回転速度を上昇させる必要があるため、より長い時間が経過した場合、効率に与える影響は最小になるはずである。漸次拡大する排気導管はより低い圧力を提供し、その結果、タービンはより低速で回転し、タービンが発電機を速く回転させ過ぎるという危険は低減され又はなくなる。これにより、タービンと発電機の両方の寿命を延長するはずである。漸次拡大する導管は、発電機がどれだけ低速で回転するように構成されるかに応じて、単一の直接駆動シャフトのみと使用することができ、又は減速伝動装置とともに使用することができる。導管面積をどれだけ増大させるかと減速ギアの正確な比との理想的な組合せは、特有の車両、空間要件、発電機、タービンなどに合わせて最適化することができる問題である。

本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明したが、様々な変更及び修正が当業者には明らかになることに留意されたい。そのような変更及び修正は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の実施形態の範囲内に含まれることが理解されよう。本説明は、第1、第2、又はそれ以上の物体又は構成要素への参照を含む。数値の識別名は、第1の構成要素が第2又は別の構成要素とは異なり得ることを示すだけの例示的な識別名であり、特有の数の別個の特徴又は構成要素を必要とするものではない。

Claims (19)

1. バッテリに接続された電気モータと、
   排気導管を有する燃焼エンジンと、
   前記排気導管の内部に少なくとも部分的に配置され、前記バッテリへの充電電流又は前記電気モータへの電流を供給するように構成された発電機に連結されるタービンと、
   を備える電気ハイブリッド車両。
2. 開かれているときは前記排気導管からの流体流が前記タービンを迂回し、閉じられているときは前記タービンを回転させるように構成されたウェイストゲートをさらに備える、請求項1に記載の電気ハイブリッド車両。
3. 前記ウェイストゲートは、低圧で開いて前記電気ハイブリッド車両が加速している間に前記燃焼エンジンからの排気流の自由な流れを可能にするように制御され、排気の制限を低減する、請求項2に記載の電気ハイブリッド車両。
4. 前記ウェイストゲートは、高圧で開いて過剰な圧力を軽減するように構成される、請求項3に記載の電気ハイブリッド車両。
5. 前記ウェイストゲートは、前記バッテリが完全に充電されたときに開くように構成される、請求項4に記載の電気ハイブリッド車両。
6. 前記ウェイストゲートは、前記ウェイストゲートを配置する最適の条件を決定するようにコンピュータで操作される、請求項4に記載の電気ハイブリッド車両。
7. 前記タービンの前の前記排気導管内で圧力を得るための圧力センサと、前記タービンの回転速度を得るための速度センサと、前記バッテリの充電量を得るための電力センサとをさらに備え、
   前記コンピュータは、前記圧力センサ、前記速度センサ、及び前記動力センサから得られた情報に基づいて、前記ウェイストゲートを開くように構成される、請求項6に記載の電気ハイブリッド車両。
8. 前記排気導管は、前記タービンが配置される第1の区間と、前記ウェイストゲートが配置される第2の部分とに分岐し、
   前記第2の部分は、前記タービンの周りに迂回経路を提供する、請求項7に記載の電気ハイブリッド車両。
9. 前記ウェイストゲートを作動させるように前記ウェイストゲートに連結された電気モータをさらに備える、請求項8に記載の電気ハイブリッド車両。
10. 前記ウェイストゲートは、前記排気導管の前記第2の部分の内部に位置し、前記排気導管の前記第2の部分の内周に一致する外周を有するゲートバルブを備える、請求項9に記載の電気ハイブリッド車両。
11. 前記ゲートバルブは、前記ゲートバルブの回転により前記ウェイストゲートを開閉するように、前記排気導管にヒンジ固定される、請求項10に記載の電気ハイブリッド車両。
12. 前記ゲートバルブは、コンピュータによって制御される電気モータに連結される、請求項11に記載の電気ハイブリッド車両。
13. 前記タービンが前記電気モータよりも高速で回転するように、前記タービンと電気モータとの間にギアセットをさらに備える、請求項7に記載の電気ハイブリッド車両。
14. 前記タービン及び電気モータが同等の速度で回転するように、前記タービンと電気モータが直接接続される、請求項7に記載の電気ハイブリッド車両。
15. 前記排気導管は、前記燃焼エンジンに直に隣接する寸法が縮小された第1の部分と、タービン入口において燃焼エンジン出口と比較して前記排気ガスの圧力を低減するように寸法が拡大されて前記タービンのすぐ上流に位置する第2の部分と、を備える、請求項1に記載の電気ハイブリッド車両。
16. 前記排気導管は、前記第1の部分からの迂回部分を備え、
    前記迂回部分は、前記タービンに関与することなく、前記燃焼エンジンからの排気流体のための代替出口経路を提供する、請求項15に記載の電気ハイブリッド車両。
17. 前記迂回部分は、前記迂回部分を選択的に開閉して流体を排出するためのウェイストゲートを備える、請求項16に記載の電気ハイブリッド車両。
18. 前記発電機は、動力変換装置及び制御装置を介して前記バッテリへ充電電力を供給する、請求項1に記載の電気ハイブリッド車両。
19. 前記発電機は、電力変換装置及び制御装置へ充電電力を送り、前記電力変換装置及び制御装置は、電流を送って前記電気モータを回転させる、請求項1に記載の電気ハイブリッド車両。

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