JP2019152181A - 内燃機関のエネルギ回生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フライホイールにエネルギを蓄えるとともに、フライホイールに蓄えられたエネルギを有効利用する。【解決手段】内燃機関のエネルギ回生装置は、フライホイール９と、過給器４と、フライホイールと過給器との間の第１のクラッチ８と、内燃機関とフライホイールとの間の第２のクラッチ１１及び変速機１２と、第１のクラッチ、第２のクラッチ、及び変速機を制御して、機関負荷があらかじめ定められた設定負荷よりも低いときには内燃機関からフライホイールにエネルギを回収し、機関負荷が設定負荷よりも高いときにはフライホイールから過給器にエネルギを放出する、ように構成されている制御器１６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関のエネルギ回生装置に関する。

内燃機関のエネルギ回生装置であって、回転エネルギの形でエネルギを蓄えるとともに蓄えているエネルギを放出するように構成されているフライホイールと、モータジェネレータと、を備え、内燃機関の出力軸からフライホイールの回転軸に動力伝達してフライホイールにエネルギを回収し、フライホイールの回転軸からモータジェネレータの回転軸に動力伝達してフライホイールからモータジェネレータにエネルギを放出するようにした、内燃機関のエネルギ回生装置が公知である（例えば、特許文献１参照）。すなわち、特許文献１では、フライホイールに蓄えられたエネルギでもって発電が行われるので、フライホイールに蓄えられたエネルギが有効利用される。

特開２０１７−１０５３１５号公報

しかしながら、特許文献１の技術はモータジェネレータを必須とする。モータジェネレータを備えていない場合であっても、フライホイールに蓄えられたエネルギを有効利用できる新たな構成が必要とされている。

本発明によれば、内燃機関のエネルギ回生装置であって、回転エネルギの形でエネルギを蓄えるとともに蓄えているエネルギを放出するように構成されているフライホイールと、前記内燃機関の吸気通路内に配置された過給器と、前記フライホイールの回転軸から前記過給器の駆動軸へ動力伝達可能に構成されている第１の動力伝達機構と、前記内燃機関の出力軸から前記フライホイールの回転軸へ動力伝達可能に構成されている第２の動力伝達機構と、前記第１の動力伝達機構及び前記第２の動力伝達機構を制御して、機関負荷があらかじめ定められた設定負荷よりも低いときには前記内燃機関の出力軸から前記フライホイールの回転軸に動力伝達して前記フライホイールにエネルギを回収し、機関負荷が前記設定負荷よりも高いときには前記フライホイールの回転軸から前記過給器の駆動軸に動力伝達して前記フライホイールから前記過給器にエネルギを放出する、ように構成されている制御器と、を備えた、内燃機関のエネルギ回生装置が提供される。

フライホイールにエネルギを蓄えるとともに、フライホイールに蓄えられたエネルギを有効利用することができる。

本発明による実施例の内燃機関のエネルギ回生装置の全体図である。 本発明による実施例のエネルギ回生制御を実行するためのフローチャートである。 本発明による別の実施例のエネルギ放出処理を実行するためのフローチャートである。

図１は本発明による実施例の内燃機関のエネルギ回生装置を示している。図１を参照すると、内燃機関１は吸気管２を備える。吸気管２から低圧管３が分岐しており、低圧管３は過給器又はコンプレッサ４のガス入口に連結される。過給器４のガス出口は高圧管５を介して吸気管２に連結される。また、過給器４に流入する吸気の量を制御するための電磁式吸気制御弁６が設けられる。図１に示される例では、低圧管３の連結位置と高圧管５の連結位置との間の吸気管２に吸気制御弁６が設けられる。

過給器４の駆動軸７は第１の電磁式クラッチ８を介してフライホイール９の回転軸１０に連結される。フライホイール９は、回転エネルギの形でエネルギを蓄えるとともに蓄えているエネルギを放出するように構成されている。なお、一般に、内燃機関１のクランクシャフトにはフライホイールが取り付けられているけれども、フライホイール９はクランクシャフトに取り付けられたフライホイールとは別個に設けられるものである。

フライホイール９の回転軸１０は更に、第２の電磁式クラッチ１１を介して変速機又は増減速装置１２の第１の回転軸１３に連結される。変速機１２の第２の回転軸１４は内燃機関の１の出力軸又はクランクシャフト１５に連結される。変速機１２は、第２の回転軸１４に入力された動力を第１の回転軸に、変速比を変更可能に伝達する、ように構成されている。変速機１２は例えば無段変速機（ＣＶＴ）から構成される。

制御器又は電子制御ユニット１６はデジタルコンピュータからなり、互いに接続されたプロセッサ、メモリ、及び入出力ポートを備える。過給器４には過給器４の回転数を検出するための過給器回転数センサが設けられており、過給器回転数センサの出力が入出力ポートを介して制御器１６に入力される。また、フライホイール９にはフライホイール９の回転数を検出するためのフライホイール回転数センサが設けられており、フライホイール回転数センサの出力が入出力ポートを介して制御器１６に入力される。更に、アクセルペダルにはアクセルペダルの踏み込み量、すなわちアクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ２０が接続されており、アクセル開度センサ２０の出力が入出力ポートを介して制御器１６に入力される。アクセル開度は機関負荷を表しており、アクセル開度センサ２０は負荷センサとして機能する。更に、内燃機関１の出力軸又はクランクシャフト１５には出力軸１５があらかじめ定められた角度だけ回転するごとにパルスを発生するクランク角センサ２１が設けられており、クランク角センサ２１の出力が入出力ポートを介して制御器１６に入力される。プロセッサではクランク角センサ２１の出力に基づいて機関回転数が算出される。一方、制御器１６からの制御信号が入出力ポートを介して吸気制御弁６、第１のクラッチ８、第２のクラッチ１１、及び変速機１２にそれぞれ出力される。なお、制御器１６のメモリに記憶されたプログラムが制御器１６のプロセッサで実行されることにより、種々の制御が実行される。

さて、本発明による実施例のエネルギ回生制御では、エネルギ回収処理とエネルギ放出処理とが行われる。なお、本発明による実施例のエネルギ回生制御は、制御器１６のメモリに記憶されているプログラムが制御器１６のプロセッサで実行されることにより、実行される。

エネルギ回収処理を行うべきときには、第１のクラッチ８がオフ又は非連結状態とされ、第２のクラッチ１１がオン又は連結状態とされる。その結果、内燃機関１の出力軸１５からフライホイール９の回転軸１０に動力が伝達される。したがって、フライホイール９が回転され、又はフライホイール９の回転数が高められる。このようにして、フライホイール９にエネルギが回転エネルギの形で蓄えられる。このとき、変速機１２の変速比は、内燃機関１の出力軸１５からフライホイール９の回転軸１０への動力伝達に適した変速比に制御される。また、過給器４に吸気が流入しないように吸気制御弁６が制御される。

一方、エネルギ放出処理を行うべきときには、第１のクラッチ８がオンとされ、第２のクラッチ１１がオフとされる。また、過給器４に吸気が流入するように吸気制御弁６が制御される。その結果、フライホイール９の回転軸１０から過給器４の駆動軸７に動力が伝達される。したがって、過給器４が駆動され、内燃機関１の過給圧が高められ、内燃機関１の出力が高められる。このようにして、フライホイール９に蓄えられているエネルギが放出される。

本発明による実施例のエネルギ回収処理及びエネルギ放出処理では、回転（運動）エネルギが回転（運動）エネルギのまま回収され放出される。すなわち、例えば電気エネルギなど、他のエネルギへの変換がない。したがって、エネルギを効率よく回収し放出することができる。

本発明による実施例では、機関負荷があらかじめ定められた設定負荷よりも低い低負荷運転時にエネルギ回収処理が行われる。したがって、例えばアイドリング運転時や減速運転時といった機関出力要求が比較的小さいときにエネルギ回収処理が行われるので、エネルギを効果的に回収することができる。一方、本発明による実施例では、機関負荷が設定負荷よりも高い高負荷運転時にエネルギ放出処理が行われる。したがって、機関出力要求が比較的高いときにエネルギ放出処理が行われるので、エネルギを有効に利用することができる。また、フライホイール９に蓄えられたエネルギが過給器４の駆動に用いられるので、エネルギを有効に利用することができる。なお、一例では、アクセル開度がゼロのときが低負荷運転であり、アクセル開度がゼロよりも大きいときが高負荷運転である。

したがって、第１のクラッチ８により第１の動力伝達機構が構成され、第２のクラッチ１１及び変速機１２により第２の動力伝達機構が構成されると考えると、本発明による実施例の内燃機関のエネルギ回生装置は、回転エネルギの形でエネルギを蓄えるとともに蓄えているエネルギを放出するように構成されているフライホイールと、内燃機関の吸気通路内に配置された過給器と、フライホイールの回転軸から過給器の駆動軸へ動力伝達可能に構成されている第１の動力伝達機構と、内燃機関の出力軸からフライホイールの回転軸へ動力伝達可能に構成されている第２の動力伝達機構と、第１の動力伝達機構及び第２の動力伝達機構を制御して、機関負荷があらかじめ定められた設定負荷よりも低いときには内燃機関の出力軸からフライホイールの回転軸に動力伝達してフライホイールにエネルギを回収し、機関負荷が設定負荷よりも高いときにはフライホイールの回転軸から過給器の駆動軸に動力伝達してフライホイールから過給器にエネルギを放出する、ように構成されている制御器と、を備えている、ということになる。

ところで、過給器の動力源として内燃機関の出力が直接的に用いられるスーパチャージャが知られている。ところが、スーパチャージャでは、過給器を駆動する分だけ内燃機関の出力が低下するので、加速運転時に機関駆動力が不足するおそれがある。また、スーパチャージャの出力が内燃機関の運転状態の影響を受けるおそれがあり、好ましくない。これに対し、本発明による実施例では、内燃機関１の運転状態の影響を受けることなく、加速運転時に十分な機関駆動力を得ることができる。

また、過給器の動力源として排気ガス流れによって駆動される排気タービンが用いられるターボチャージャも知られている。しかしながら、ターボチャージャでは、機関排気通路内に配置される排気タービンによって機関背圧が好ましくなく高められるおそれがある。本発明による実施例では、機関排気通路内に排気タービンを配置する必要がなく、機関背圧が高くなるのが制限される。

図２は本発明による実施例のエネルギ回生制御を行うためのルーチンを示している。図２を参照すると、ステップ１００では停止処理が実行される。本発明による実施例の停止処理では、第１のクラッチ８及び第２のクラッチ１１がオフとされ、過給器４に吸気が流入しないように吸気制御弁６が制御される。続くステップ１０１では低負荷運転が行われているか否かが判別される。低負荷運転が行われているときには次いでステップ１０２に進み、エネルギ回収処理が行われる。これに対し、高負荷運転が行われているときにはステップ１０１からステップ１０３に進み、エネルギ放出処理が行われる。

ただし、本発明による実施例では、エネルギ回生処理を行うべきときに、エネルギ回生条件が成立しているか否かが判別され、エネルギ回生条件が成立していると判別されたときにはエネルギ回生処理が行われ、エネルギ回生条件が成立していないと判別されたときには、エネルギ回生処理が行われない。一例では、エネルギ回生条件は、フライホイール９の回転数があらかじめ定められた許容上限よりも低い、ということである。フライホイール９の回転数はフライホイール９に蓄えられているエネルギの量を表しており、フライホイール９の回転数が許容上限よりも高いときには、フライホイール９に十分なエネルギが既に蓄えられているからである。一方、エネルギ放出処理を行うべきときに、エネルギ放出条件が成立しているか否かが判別され、エネルギ放出条件が成立していると判別されたときにはエネルギ放出処理が行われ、エネルギ放出条件が成立していないと判別されたときには、エネルギ放出処理が行われない。一例では、エネルギ放出条件は、フライホイール９の回転数があらかじめ定められた許容下限よりも高い、ということである。フライホイール９の回転数が許容下限よりも低いときには、過給器４を駆動するのに十分なエネルギがフライホイール９に蓄えられていないからである。別の例では、エネルギ放出条件は、内燃機関１の要求空気量が過給器４の作動可能範囲内にある、ということである。内燃機関１の要求空気量が過給器４の作動可能範囲外にあるときには、エネルギ放出処理を行ったとしても、内燃機関１の吸気量を要求空気量にすることはできないからである。

別の実施例（図示しない）では、変速機１２は、第１の回転軸１３及び第２の回転軸１４のうちの一方に入力された動力を、第１の回転軸１３及び第２の回転軸１４のうちの他方に、回転数を変更可能に伝達する、ように構成される。この場合のエネルギ放出処理では、上述した過給器４へのエネルギ放出と内燃機関１の出力軸１５へのエネルギ放出とのうちの一方又は両方が行われる。

すなわち、この別の実施例では、エネルギ放出処理を行うべきときに、過給器４へのエネルギ放出条件が成立しているか否かが判別され、過給器４へのエネルギ放出条件が成立していると判別されたときには過給器４へのエネルギ放出処理が行われ、過給器４へのエネルギ放出条件が成立していないと判別されたときには、過給器４へのエネルギ放出処理が停止される。過給器４へのエネルギ放出条件は、一例では、内燃機関１の要求空気量が過給器４の作動可能範囲内にある、ということである。過給器４へのエネルギ放出を行うべきときには、第１のクラッチ８がオンとされ、過給器４に吸気が流入するように吸気制御弁６が制御される。過給器４へのエネルギ放出を停止すべきときには、第１のクラッチ８がオフとされ、過給器４に吸気が流入しないように吸気制御弁６が制御される。

一方、エネルギ放出処理を行うべきときに、内燃機関１へのエネルギ放出条件が成立しているか否かが判別され、内燃機関１へのエネルギ放出条件が成立していると判別されたときには内燃機関１へのエネルギ放出処理が行われ、内燃機関１へのエネルギ放出条件が成立していないと判別されたときには、内燃機関１へのエネルギ放出処理が停止される。内燃機関１へのエネルギ放出条件は、一例では、内燃機関１へのエネルギ放出を行ったと仮定したときに内燃機関１の出力軸１５の回転速度を高めることができる、すなわち内燃機関１を増速可能である、ということである。内燃機関１の出力軸へのエネルギ放出を行うべきときには、第２のクラッチ１１がオンとされ、変速機１２の変速比がフライホイール９の回転軸１０から内燃機関１の出力軸１５への動力伝達に適した変速比に制御される。内燃機関１の出力軸へのエネルギ放出を停止すべきときには、第２のクラッチ１１がオフとされる。

図３には、別の実施例におけるエネルギ放出処理の一例を行うためのルーチンが示されている。図３を参照すると、ステップ２００では、フライホイール９からのエネルギ放出により内燃機関１を増速可能か否かが判別される。この判断は、例えば、機関回転数及びフライホイール９の回転数に基づいて行われる。内燃機関１を増速可能と判別されたときには次いでステップ２０１に進み、内燃機関１へのエネルギ放出が行われる。続くステップ２０２では、内燃機関１の要求空気量が過給器４の作動可能範囲内にあるか否かが判別される。内燃機関１の要求空気量が過給器４の作動可能範囲内にあると判別されたときには、次いでステップ２０３に進み、過給器４へのエネルギ放出が行われる。次いでステップ２０５に進む。これに対し、内燃機関１の要求空気量が過給器４の作動可能範囲外にあると判別されたときにはステップ２０２からステップ２０４に進み、過給器４へのエネルギ放出が停止される。次いでステップ２０５に進む。ステップ２０５では、低負荷運転が行われているか否かが判別される。低負荷運転が行われているときには次いでステップ２０６に進み、上述の停止処理が行われる。次いで処理サイクルを終了する。

これに対し、高負荷運転が行われているときにはステップ２０５からステップ２００に戻る。一方、内燃機関１を増速不可能と判別されたときにはステップ２００からステップ２０７に進み、内燃機関１へのエネルギ放出が停止される。続くステップ２０８では、内燃機関１の要求空気量が過給器４の作動可能範囲内にあるか否かが判別される。内燃機関１の要求空気量が過給器４の作動可能範囲内にあると判別されたときには、次いでステップ２０３に進み、過給器４へのエネルギ放出が行われる。次いでステップ２０５に進む。これに対し、内燃機関１の要求空気量が過給器４の作動可能範囲外にあると判別されたときにはステップ２０８からステップ２０９に進み、過給器４へのエネルギ放出が停止される。次いでステップ２０６に進む。

このルーチンにおいて、ステップ２０１の後にステップ２０３に進んだ場合には、内燃機関１へのエネルギ放出と過給器４へのエネルギ放出との両方が行われる。また、ステップ２０１の後にステップ２０４に進んだ場合には、過給器４へのエネルギ放出が停止されつつ内燃機関１へのエネルギ放出が行われる。ステップ２０７の後にステップ２０３に進んだ場合には、内燃機関１へのエネルギ放出が停止されつつ過給器４へのエネルギ放出が行われる。ステップ２０７の後にステップ２０９に進んだ場合には、内燃機関１へのエネルギ放出と過給器４へのエネルギ放出との両方が停止される。

更に別の実施例（図示しない）では、過給器４の駆動軸７とフライホイール９の回転軸１０との間に別の変速機が設けられる。その結果、フライホイール９の回転数に対する過給器４の回転数の比を変更することができる。なお、図１に示される実施例では、フライホイール９の回転数に対する過給器４の回転数の比は１である。

１ 内燃機関
２ 吸気管
４ 過給器
７ 過給器の駆動軸
８ 第１のクラッチ
９ フライホイール
１０ フライホイールの回転軸
１１ 第２のクラッチ
１２ 変速機
１５ 内燃機関の出力軸

Claims (1)

1. 内燃機関のエネルギ回生装置であって、
   回転エネルギの形でエネルギを蓄えるとともに蓄えているエネルギを放出するように構成されているフライホイールと、
   前記内燃機関の吸気通路内に配置された過給器と、
   前記フライホイールの回転軸から前記過給器の駆動軸へ動力伝達可能に構成されている第１の動力伝達機構と、
   前記内燃機関の出力軸から前記フライホイールの回転軸へ動力伝達可能に構成されている第２の動力伝達機構と、
   前記第１の動力伝達機構及び前記第２の動力伝達機構を制御して、機関負荷があらかじめ定められた設定負荷よりも低いときには前記内燃機関の出力軸から前記フライホイールの回転軸に動力伝達して前記フライホイールにエネルギを回収し、機関負荷が前記設定負荷よりも高いときには前記フライホイールの回転軸から前記過給器の駆動軸に動力伝達して前記フライホイールから前記過給器にエネルギを放出する、ように構成されている制御器と、
   を備えた、内燃機関のエネルギ回生装置。

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