JP2021130325A - 車両およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ランキンサイクルシステムの作動流体のエネルギーが過剰に上昇し続けることを抑制しつつ、排熱から動力を取り出す頻度を高める車両およびその制御方法を提供する。【解決手段】作動流体Ｗのエネルギーが上昇し続ける状態になると予測される場合に、動力伝達機構６により膨張機１７およびモータージェネレータ３からプロペラシャフト５に動力を伝達させる状態にして、膨張機１７とモータージェネレータ３の両方の動力でエンジン２にアシストし、エンジン２の出力を低下させる。【選択図】図６

Description

本開示は、車両およびその制御方法に関する。

車両走行用の動力源である電動発電機とは別に配置される熱発電用発電機をランキンサイクルシステムの動力を用いて発電させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９―１４３５３３号公報

ところで、車両が登坂路を走行しているときには、エンジン（内燃機関）に高負荷が加わり、エンジンから排出される排気の温度が高温になる。この状況でランキンサイクルシステムの蒸発器でランキンサイクルシステムの作動流体と高温の排気を熱交換させ続けると、作動流体のエネルギーが過剰に上昇するおそれがあった。一方、この状況で排気をバイパスさせて、作動流体と排気との熱交換をさせないと、作動流体のエネルギーの上昇は抑制可能になるが、排熱からの動力を利用することができなくなる。

本開示の目的は、ランキンサイクルシステムの作動流体のエネルギーが過剰に上昇し続けることを抑制しつつ、排熱から動力を取り出す頻度を高める車両およびその制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の態様の車両は、内燃機関と、電動発電機と、前記内燃機関から排出される排気の排熱を回収するランキンサイクルシステムと、前記内燃機関の動力が伝達されるプロペラシャフトと、前記電動発電機、前記ランキンサイクルシステムが有する膨張機、および、前記プロペラシャフトの間で動力を伝達する動力伝達機構と、制御装置と、を備えて構成される車両において、前記ランキンサイクルシステムは、排気が蒸発器をバイパスするバイパス通路と、排気が前記蒸発器を通過する第一状態または排気が前記バイパス通路を通過する第二状態を切り換えるバイパス弁とを有し、前記ランキンサイクルシステムの作動流体の状態を予測するためのパラメータを取得する予測パラメータ取得装置を備えて、前記制御装置が、前記予測パラメータ取得装置が取得したパラメータに基づいて、作動流体のエネルギーが上昇し続ける状態になると予測される場合に、前記動力伝達機構により前記膨張機および前記電動発電機から前記プロペラシャフトに動力を伝達させる状態にして、前記膨張機と前記電動発電機の両方の動力で前記内燃機関にアシストし、前記内燃機関の出力を低下させることを特徴とする。

また、上記の車両を用いた本発明の態様の車両の制御方法は、上記の車両の制御方法において、前記ランキンサイクルシステムの作動流体の状態を予測するためのパラメータを取得するステップと、前記取得した前記パラメータに基づいて、前記作動流体のエネルギーが上昇し続ける状態になるか否かを予測するステップと、前記作動流体のエネルギーが上昇し続ける状態になると予測した場合に、前記動力伝達機構により前記膨張機および前記電動発電機から前記プロペラシャフトに動力を伝達させる状態にするステップと、前記プロペラシャフトに動力を伝達させる状態にした後、前記膨張機と前記電動発電機の両方の動力で前記内燃機関にアシストし、前記内燃機関の出力を低下させるステップと、を含むことを特徴とする方法である。

本開示によれば、ランキンサイクルシステムの作動流体のエネルギーが過剰に上昇し続けることを抑制しつつ、排熱から動力を取り出す頻度を高める。

本実施形態の車両の構成を例示する図である。 制御装置に対する制御信号の入出力を例示する図である。 第一〜三クラッチの断接状態に対応した車両の動作内容を例示する図である。 エンジンの出力トルクと回転数とに基づくマップを例示する図である。 本実施形態の車両の制御方法における各パラメータの推移を例示する図である。 本実施形態の車両の制御方法を例示するフロー図である。 本実施形態の蒸発器に対する排気の通過とバイパスの切り換え方法を例示するフロー図である。 ランキンサイクルシステムを強制的に冷却する方法を例示するフロー図である。 図８のステップＳ２８０から連なるフロー図である。

以下、本開示の実施形態の車両およびその制御方法について、図面を参照しながら説明する。なお、図１では、Ｘ方向を車長方向、Ｙ方向を車幅方向と規定している。

図１に例示するように、本実施形態の車両１は、エンジン（内燃機関）２と、モータージェネレータ（電動発電機）３と、ランキンサイクルシステム４と、プロペラシャフト５と、動力伝達機構６と、制御装置７と、を備えて構成される。

エンジン２は、各気筒２ａで燃料噴射弁２ｂより噴射された燃料と新気との混合気を燃焼することにより車両の走行用の動力を得ている。エンジン２の排気通路８には、エンジン２から排出される排気Ｇの流れ方向に関して上流側より順に、ターボ式過給システムのタービン（図示しない）、排気後処理装置９、ランキンサイクルシステム４の蒸発器１６が配置されている。排気後処理装置９は、その内部に各種触媒が配置されて、この各種触媒により排気Ｇに含まれる浄化対象物質（例えば、窒素酸化物や微粒子状物質等）を浄化処理する装置である。

排気通路８には、排気Ｇが蒸発器１６をバイパスするバイパス通路１０が接続されている。排気通路８からバイパス通路１０への分岐点には、三方弁（バイパス弁）１１が配置されている。三方弁１１は、排気Ｇが蒸発器１６を通過する第一状態または排気Ｇがバイパス通路１０を通過する第二状態を切り換える装置である。三方弁１１の開閉状態により、排気Ｇは蒸発器１６またはバイパス通路１０のいずれか一方に流れる。

モータージェネレータ３は、動力伝達機構６を介してランキンサイクルシステムの膨張機１７やプロペラシャフト５に接続されるとともに、インバータ１２を介してバッテリ１３に接続されている。

モータージェネレータ３は、バッテリ１３に充電された電力が供給されることで駆動する。この駆動力は動力伝達機構６を介してプロペラシャフト５に伝達されることで車両の走行用の動力となる。また、この駆動力は動力伝達機構６を介して膨張機１７に伝達されることで膨張機１７を始動させる。

モータージェネレータ３は、プロペラシャフト５の慣性力や膨張機１７の駆動力が動力伝達機構６を介して伝達されることで発電する。この発電により得た電力はインバータ１２を介してバッテリ１３に充電される。

ランキンサイクルシステム４は、このシステム４の作動流体（例えば冷却水）Ｗと排気Ｇを熱交換させることで排気Ｇの排熱を回収するシステムである。ランキンサイクルシステム４は、作動流体Ｗが循環する流路１４に作動流体Ｗの流通方向より順にポンプ（駆動装置）１５、蒸発器１６、膨張機１７、凝縮器１８およびタンク（作動流体の貯留装置）１９を有する。

ポンプ１５は、作動流体Ｗを圧送する装置である。蒸発器１６は、作動流体Ｗと排気Ｇを熱交換することで作動流体Ｗに排気Ｇの排熱を回収する装置である。膨張機１７は、作動流体Ｗの熱量を駆動力に変換して出力する装置である。凝縮器１８は、作動流体Ｗと冷却媒体（例えば冷却水）を熱交換して作動流体Ｗを冷却する装置である。タンク１９は、作動流体Ｗを貯留する装置である。

プロペラシャフト５は、エンジン２にエンジンクラッチ２０、変速機２１を介して接続されるとともに、デファレンシャルギアやドライブシャフト（いずれも図示しない）を介して駆動輪（図示しない）に接続されている。また、プロペラシャフト５は、動力伝達機構６を介してモータージェネレータ３や膨張機１７に接続されている。

エンジンクラッチ２０は、プロペラシャフト５へのエンジン２の動力の伝達可否を切り替える装置である。エンジンクラッチ２０の接状態時には、変速機２１がニュートラル状態ではない限り、エンジン２と変速機２１およびプロペラシャフト５が接続されて、エンジン２の動力がプロペラシャフト５に伝達される。エンジンクラッチ２０の断状態時には、エンジン２と変速機２１及びプロペラシャフト５が切り離されて、エンジン２の動力がプロペラシャフト５に伝達されない。

変速機２１は、エンジン２の回転数やトルクを変速してプロペラシャフト５に動力伝達する装置である。なお、車輪２２は、受動輪である。

動力伝達機構６は、モータージェネレータ３、膨張機１７、および、プロペラシャフト５の間で動力を伝達する機構である。動力伝達機構６は、動力入出力装置２３と、第一クラッチ２４と、第二クラッチ２５と、第三クラッチ２６と、動力分配装置２７と、を有する。

動力入出力装置２３は、プロペラシャフト５に対して動力の入出力を行う装置である。動力入出力装置２３は、駆動軸２８を有し、プロペラシャフト５の中途位置に直結された歯車２９と駆動軸２８に配置された歯車３０とが外周どうしで噛み合っている。駆動軸２８には、プロペラシャフト５から出力される動力が歯車２９、３０を介して伝達される。駆動軸２８には、プロペラシャフト５に入力される動力（膨張機１７の動力またはモータージェネレータ３の動力）が伝達される。

第一クラッチ２４は、膨張機１７の駆動軸および動力分配装置２７の第一駆動軸３１の間に介在する装置である。第一クラッチ２４が接状態の場合に、膨張機１７の駆動軸と第一駆動軸３１の間で双方向に動力が伝達される。第二クラッチ２５は、モータージェネレータ３の駆動軸および動力分配装置２７の第二駆動軸３２の間に介在する装置である。第二クラッチ２５が接状態の場合に、モータージェネレータ３の駆動軸と第二駆動軸３２の間で双方向に動力が伝達される。第三クラッチ２６は、動力入出力装置２３の駆動軸２８および動力分配装置２７の第三駆動軸３３の間に介在する装置である。第三クラッチ２６が接状態の場合に、駆動軸２８と第三駆動軸３３の間で双方向に動力が伝達される。

第一クラッチ２４、第二クラッチ２５、および、第三クラッチ２６のそれぞれがツウウェイクラッチで構成されている。ツウウェイクラッチは、電力の通電により接状態と断状態とを切り換え可能に構成されている。通電時には、ツウウェイクラッチは接状態となる。通電が停止されたときには、ツウウェイクラッチは断状態となる。ツウウェイクラッチの接状態時には、一方の駆動軸から他方の駆動軸への動力伝達と、他方の駆動軸から一方の駆動軸への動力伝達の両方の動力伝達がツウウェイクラッチを介して行われる。ツウウェイクラッチの断状態時には、各駆動軸間の動力伝達がツウウェイクラッチにより切断される。すなわち、ツウウェイクラッチは、その断接状態により、一方の駆動軸から他方の駆動軸への動力伝達と、他方の駆動軸から一方の駆動軸への動力伝達と、動力伝達の切断とを切り換え可能なクラッチである。ツウウェイクラッチは、噛み合い式のクラッチであるため、摩擦クラッチと比較して強度および耐久性が高い。

動力分配装置２７は、第一駆動軸３１と、第二駆動軸３２と、第三駆動軸３３と、第一歯車３４と、第二歯車３５と、を有する。第一駆動軸３１と第三駆動軸３３とが第一歯車３４を介して直結されて第一歯車３４の軸となっている。図１に例示するように、本実施形態では、第一歯車３４の軸を、第一駆動軸３１と第三駆動軸３３の間の中途位置にカップリング（軸継手）が介在してなる単一の駆動軸としている。第二駆動軸３２が第二歯車３５に直結されて第二歯車３５の軸となっている。第一歯車３４と第二歯車３５とが外周どうしで噛み合っている。

なお、動力分配装置２７の構成は、本実施形態の構成に限定されず、例えば、第二駆動軸３２と第三駆動軸３３とが第一歯車３４を介して直結されて第一歯車３４の軸となり、第一駆動軸３１が第二歯車３５に直結されて第二歯車３５の軸となる構成でもよい。また、第一歯車３４と第二歯車３５の間に別の歯車を配置して、第一歯車３４と第二歯車３５とが別の歯車を介して外周側で噛み合う構成でもよい。

すなわち、第三駆動軸３３と第一駆動軸３１および第二駆動軸３２のどちらか一方の駆動軸が第一歯車３４を介して直結されて第一歯車３４の軸となり、一方の駆動軸と異なる他方の駆動軸が第二歯車３５に直結されて第二歯車３５の軸となり、第一歯車３４と第二歯車３５とが外周どうしまたは外周側で噛み合って構成されていればよい。

動力分配装置２７は、第一駆動軸３１、第二駆動軸３２、および、第三駆動軸３３のいずれか一つの駆動軸に入力された動力を他の二つの駆動軸に分配する状態またはいずれか二つの駆動軸に入力された動力を合わせて他の一つの駆動軸に出力する状態になる装置である。なお、いずれの駆動軸にも動力が入力されない場合は、第一歯車３４および第二歯車３５が回転しない状態となる。本実施形態の動力分配装置２７は、第一駆動軸３１、第二駆動軸３２、および、第三駆動軸３３に、第一歯車３４と第二歯車３５が組み合わされることで、第一クラッチ２４、第二クラッチ２５、第三クラッチ２６の各クラッチの断接状態を制御して動力の伝達状態が受動的に変化する構成となっている。

いずれか一つの駆動軸に入力された動力を他の二つの駆動軸に分配する状態としては、例えば、第三駆動軸３３に入力されたプロペラシャフト５の動力を第一駆動軸３１および第二駆動軸３２に分配する状態や、第一駆動軸３１に入力された膨張機１７の動力を第二駆動軸３２および第三駆動軸３３に分配する状態がある。いずれか二つの駆動軸に入力された動力を合わせて他の一つの駆動軸に出力する状態とは、例えば、第一駆動軸３１および第二駆動軸３２に入力された動力を合わせて第三駆動軸３３に出力する状態がある。

本実施形態では、膨張機１７の駆動軸が外周に外歯が形成されたスプライン軸で構成され、その外歯と第一クラッチ２４に形成された内歯とが噛み合うスプラインによって直結されている。モータージェネレータ３の駆動軸が外周に外歯が形成されたスプライン軸で構成され、その外歯と第二クラッチ２５に形成された内歯とが噛み合うスプラインによって直結されている。

モータージェネレータ３、膨張機１７、動力分配装置２７、第一クラッチ２４、および第二クラッチ２５が一体化してなる第一ユニット３６が形成されている。また、膨張機１７を除くランキンサイクルシステム４が一体化してなる第二ユニット３７が形成されている。第一ユニット３６は第一ブラケット３９を介して、第二ユニット３７は第二ブラケット４０を介して、それぞれ、車体フレーム３８に固定されている。なお、本開示で「一体化してなるユニット」とは、車体フレーム３８に固定される前に一体化されたユニットである。

第一ユニット３６は、動力分配装置２７を介したＸ方向前方側とＸ方向後方側のどちらか一方に膨張機１７、他方にモータージェネレータ３を配置することが望ましく、Ｘ方向前方側に膨張機１７を配置し、Ｘ方向後方側にモータージェネレータ３を配置することがより望ましい。このように膨張機１７あるいはモータージェネレータ３の駆動軸をスプライン軸とし、それぞれのクラッチ２４、２５にスプラインで直結することで、動力分配装置２７に膨張機１７、モータージェネレータ３を直結した状態をコンパクトにできる。

本実施形態では、第一ユニット３６は、エンジン２より後方の第一ブラケット３９を介して、車体フレーム３８の車幅方向内側に固定されている。第二ユニット３７は、エンジン２より後方、かつ、排気後処理装置９より後方の第二ブラケット４０を介して車体フレーム３８の車幅方向外側に固定されている。第１ブラケット３９は、第一ユニット３６の筐体と膨張機１７とモータージェネレータ３に直結した構造である。第２ブラケット４０は、第２ユニット３７の筐体に直結した構造である。

第一ユニット３６および第二ユニット３７は車幅方向に隣接して配置されることが好ましい。これらのユニット３６、３７が隣接して配置されることで、第一ユニット３６に組み込んだ膨張機１７を第二ユニット３７に近接させて保温性を高めることができる。

第一ユニット３６および第二ユニット３７を車幅方向に隣接して配置した上で、排気後処理装置９を一つのユニットとして、このユニットと第二ユニット３７を車長方向または車幅方向に隣接して配置すると好ましい。このようにすることで、排気Ｇが排気後処理装置９を通過後に直ぐに蒸発器１６に流入するので、蒸発器１６での作動流体Ｗと排気Ｇの熱交換効率を向上させることができる。なお、インバータ１２およびバッテリ１３の配置位置は本実施形態の配置位置に特に限定されるものではない。

図２に例示するように、制御装置７は、各種情報処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。制御装置７は、各種装置３、１１、２０、２１、２４〜２６、後述する各種装置４１〜４６と電気的に接続されている。

本実施形態の車両１には、第一回転数センサ４１と、第二回転数センサ（回転数取得装置）４２と、温度センサ（温度取得装置）４３と、圧力センサ（圧力取得装置）４４と、エンジン回転数センサ４５と、道路状況取得装置４６と、が備わる。第一回転数センサ４１は、膨張機１７の回転数を取得するセンサである。第二回転数センサ４２は、モータージェネレータ３の回転数を取得するセンサである。温度センサ４３は、蒸発器１６と膨張機１７の間の流路１４に配置されて、膨張機１７に流入する作動流体Ｗの温度を取得するセンサである。圧力センサ４４は、蒸発器１６と膨張機１７の間の流路１４に配置されて、膨張機１７に流入する作動流体Ｗの圧力を取得するセンサである。エンジン回転数センサ４５は、エンジン２の回転数を取得するセンサである。道路状況取得装置４６は、車両の前方の道路状況（走行路）を取得する装置である。なお、各種装置４１〜４６は、対応するパラメータの値を取得する手段の一例であり、これらのパラメータの値の取得手段は各種装置４１〜４６に限定されない。また、回転数取得装置は、膨張機１７またはモータージェネレータ３の回転数を取得する装置であればよく、本実施形態の構成に限定されない。

図３に例示するように、本実施形態の車両１では、制御装置７により第一クラッチ２４、第二クラッチ２５、および、第三クラッチ２６のそれぞれが制御される。制御装置７が、第一クラッチ２４と第二クラッチ２５と第三クラッチ２６を全て断状態にすると、膨張機１７、モータージェネレータ３、およびプロペラシャフト５の間での動力の伝達を切断する状態になる。この状態は、例えば、ＡＢＳやＡＳＲを作動させる場合に行われる。ＡＢＳ（Anti-lock Brake System、アンチロック・ブレーキシステム）は、急ブレーキ時に車輪２２のロックを防止するための制御である。ＡＳＲ（Anti-slip regulator）は、急発進または急加速時の車輪２２のスリップを防止するための制御である。これらのＡＢＳやＡＳＲが作動した場合はそれぞれの間の動力の伝達を切断することでプロペラシャフト５に余計なトルクの入出力を回避している。

制御装置７が、第一クラッチ２４と第三クラッチ２６を接状態にし、第二クラッチ２５を断状態にすると、モータージェネレータ３を動力伝達機構６における動力伝達系から独立させて、膨張機１７およびプロペラシャフト５の間で動力を伝達させる状態になる。この状態は、例えば、エンジン２の動力に膨張機１７の動力をアシストして車両を走行させる場合やエンジン２の動力により膨張機１７を始動させる場合に行われる。膨張機１７の動力をアシストすることで、エンジン２の負荷を低減して、燃費を向上させることができる。エンジン２の動力により膨張機１７を始動させることで、膨張機１７の始動専用の駆動装置を設ける必要がなく、省スペース化および低コスト化することができる。

制御装置７が、第一クラッチ２４と第二クラッチ２５を接状態にし、第三クラッチ２６を断状態にすると、プロペラシャフト５を動力伝達機構６における動力伝達系から独立させて、膨張機１７およびモータージェネレータ３の間で動力を伝達させる状態になる。この状態は、例えば、膨張機１７の動力によりモータージェネレータ３を発電させる場合や、モータージェネレータ３の動力により膨張機１７を始動させる場合や、車両を後進させる場合に行われる。このようにすることで、車両の走行状態に影響を与えることなく、膨張機１７の動力を有効利用してモータージェネレータ３を発電させることができる。また、膨張機１７の始動専用の駆動装置を設ける必要がなく、省スペース化および低コスト化することができる。

制御装置７が、第二クラッチ２５と第三クラッチ２６を接状態にし、第一クラッチ２４を断状態にすると、膨張機１７を動力伝達機構６における動力伝達系から独立させて、プロペラシャフト５およびモータージェネレータ３の間で動力を伝達させる状態になる。この状態は、例えば、モータージェネレータ３の動力によりエンジン２の動力をアシストして車両を走行させる場合や、車両の制動時にプロペラシャフト５の制動力を用いてモータージェネレータ３を発電させる場合に行われる。モータージェネレータ３の動力をアシストし、また、エンジン２の動力によりモータージェネレータ３を発電させることで、エンジン２の負荷を低減して燃費を向上させることができる。

制御装置７が、第一クラッチ２４と第二クラッチ２５と第三クラッチ２６を全て接状態にすると、膨張機１７、モータージェネレータ３、およびプロペラシャフト５のうちの二つから他の一つへと動力を伝達させる状態、または、これらの装置３、５、１７のうちの一つから他の二つへと動力を伝達させる状態のいずれかの状態になる。この状態は、例えば、膨張機１７の動力とモータージェネレータ３の動力の２つの動力を用いてエンジン２の動力をアシストして車両を走行させる場合や、膨張機１７の動力を用いてモータージェネレータ３を発電し、かつエンジン２の動力をアシストする場合に行われる。

制御装置７は、第一クラッチ２４と第二クラッチ２５と第三クラッチ２６の断接状態を切り換えることで、動力伝達機構６における動力伝達系での動力の伝達または切断を選択可能にし、また、動力伝達系での動力の伝達状態を上述した各種状態に選択可能に構成されている。

本実施形態の車両１はエンジン２、モータージェネレータ３、膨張機１７の間で動力を伝達する動力伝達機構において、第一クラッチ２４、第二クラッチ２５、および、第三クラッチ２６のそれぞれがツウウェイクラッチで構成される。それ故、それらのクラッチが摩擦式クラッチで構成される機構に比して動力伝達機構６を軽薄短小化することができる。更に、動力分配装置２７の動力の伝達状態がそれぞれのクラッチ２４、２５、２６の断接により変化するように構成される。つまり、動力伝達機構６の構造をそれぞれのクラッチ２４、２５、２６の断接のみで動力の伝達状態を受動的に変化させるように簡易化することで、動力伝達機構６を軽薄短小化することができる。

更に、本実施形態の車両１は、動力伝達機構６における動力の伝達状態が、図３に例示するように五つある。それ故、車両１の走行状態やエンジン２の運転状態に応じてそれらの動力の伝達状態から最適な状態を選択することが可能となる。これにより、エンジン２の排熱からランキンサイクルシステム４により取り出した動力を利用できる頻度を高めることができる。

以上のように本実施形態の車両１は、動力伝達機構６を軽薄短小化することと、排熱より取り出した動力の利用頻度を高めることの二つの効果により、燃費を向上することができる。

クラッチ２４、２５、２６をツウウェイクラッチで構成した上で、動力分配装置２７を第一歯車３４と第二歯車３５とを有した構成にする。このようにすることで、遊星歯車機構やベルト式無断変速機を用いることなく動力伝達機構６を構成することができるので、動力伝達機構６を増々軽薄短小化させることができる。

モータージェネレータ３とランキンサイクルシステム４と動力伝達機構６とのそれぞれを第一ユニット３６と第二ユニット３７として形成する。このようにすることで、ユニット単位で製造および車両への組み付けを行うことができ、製造効率や組付け作業効率を向上させることができる。

第一ユニット３６や第二ユニット３７を車体フレーム３８に固定する。このようにすることで、これらのユニット３６、３７をエンジン２に固定する場合と比較して、車両の重量が車体全体で均一化されるので、車両の走行安定性を向上させることができる。

本実施形態の車両１には、予測パラメータ取得装置と、状態取得装置と、が備わる。予測パラメータ取得装置は、ランキンサイクルシステム４の作動流体Ｗの状態を予測するためのパラメータを取得する装置である。作動流体Ｗの状態は排気Ｇと蒸発器１６での熱交換の状態により変化し、熱交換の状態はエンジン２の出力に応じた排気Ｇの状態で変化する。そこで、予測パラメータ取得装置は排気Ｇの状態を予測可能なパラメータを取得することが望ましく、そのパラメータとしてエンジン２の出力を予測可能な車両１の進路において現在位置から前方の道路状況を取得することがより望ましい。本実施形態では、予測パラメータ取得装置は全球測位衛星システムを利用した地図情報を取得する道路状況取得装置４６である。

状態取得装置は、ランキンサイクルシステム４の作動流体Ｗの実際の状態を取得する装置である。本実施形態では、状態取得装置が、温度センサ４３と、圧力センサ４４と、第二回転数センサ４２とで構成されている。作動流体Ｗの状態は膨張機１７に流入する前の状態であることが望ましく、温度センサ４３、圧力センサ４４は蒸発器１６と膨張機１７の間の流路１４に配置されることが望ましい。

制御装置７が、道路状況取得装置４６が取得した車両１の前方の道路状況（パラメータ）に基づいて、モータージェネレータ３のアシストなしでは三方弁１１により第一状態を維持すると作動流体Ｗのエネルギーが上昇し続ける状態になるか否かを予測する。この作動流体Ｗのエネルギーが上昇し続ける状態は、三方弁１１により排気Ｇが蒸発器１６を通過し、かつ、モータージェネレータ３を動力伝達機構６における動力伝達系から独立させて、膨張機１７の動力をプロペラシャフト５に伝達させて車両１が登坂路を走行する場合の状態である。

図４に例示するように、作動流体Ｗのエネルギーが上昇し続ける状態は、エンジン２の運転状態がエンジン２の出力トルクとエンジン回転数とに基づくマップで、高出力トルクかつ低回転数の領域Ｒ２に収まり続ける状態である。エンジン回転数はエンジン回転数センサ４５により取得され、エンジン２の出力トルクは、例えば、エンジン回転数とエンジン２の燃料噴射量を基に推定算出される。

高出力トルクかつ低回転数の領域Ｒ２は上記のマップで回転数ごとのエンジン２の出力トルクの最高値を示す特性線と領域Ｒ１との間に配置され、領域Ｒ１に隣接する。領域Ｒ１は、エンジン２の運転状態が領域Ｒ１に収まる範囲である場合に三方弁１１により第一状態を維持し続けても作動流体Ｗのエネルギーの収支の釣り合いが取れ、作動流体Ｗのエネルギーが上昇し続けることが無い領域である。領域Ｒ２は、エンジン２の運転状態が領域Ｒ２に収まる範囲である場合に三方弁１１により第一状態を維持し続けると作動流体Ｗのエネルギーの収支の釣り合いが崩れ、作動流体Ｗのエネルギーが上昇し続ける領域である。

領域Ｒ２は実験や試験、あるいはシミュレーションにより設定される。具体的に、エンジン２の運転状態が領域Ｒ２に収まる範囲である場合にエンジン２に対してモータージェネレータ３がその最大の動力でアシストした場合に、エンジン２の運転状態が領域Ｒ２から領域Ｒ１に移るように設定される。なお、領域Ｒ２よりも出力トルクに対して高い側の領域はエンジン２に対してモータージェネレータ３がその最大の動力でアシストしてもエンジン２の運転状態が領域Ｒ１に移らない領域である。

ただし、エンジン２の運転状態が特性線上にある状態でエンジン２に対してモータージェネレータ３がアシストするとエンジン２の運転状態が領域Ｒ１に移る場合は、領域Ｒ２が特性線を含んでもよい。

本実施形態では、制御装置７は、道路状況取得装置４６が取得した前方の道路状況が上り勾配θ１（所定の上り勾配）の坂路が距離Ｄ１である場合に、モータージェネレータ３のアシストなしではエンジン２の運転状態が領域Ｒ２に収まり続けて三方弁１１により第一状態を維持すると作動流体Ｗのエネルギーが上昇し続ける状態になると予測する。

上り勾配θ１と距離Ｄ１は予め設定された固定値でもよく、車両１の総重量に対して負の相関となる可変値でもよい。固定値にする場合に上り勾配θ１と距離Ｄ１は、車両が未積載の状態でエンジン２の出力のみで車両１を走行させると仮定した場合に作動流体Ｗのエネルギーが上昇し続けることが予測される値である。車両１が未積載の状態としては、車両１がトラックの場合に荷物の積載が無い状態が例示される。

なお、作動流体Ｗのエネルギーが上昇し続ける状態になるか否かの判定は、例えば、車両の積載重量が満積載重量（車両に積載することが可能な荷物の最大重量）である場合に、上り勾配θ１と距離Ｄ１とのどちらか一方または両方をより小さい値にするとよい。

制御装置７は、モータージェネレータ３のアシストなしでは三方弁１１により第一状態を維持すると作動流体Ｗのエネルギーが上昇し続ける状態になると予測される場合に、動力伝達機構６により膨張機１７およびモータージェネレータ３からプロペラシャフト５に動力を伝達させる状態にする。このとき、第一クラッチ２４、第二クラッチ２５および第三クラッチ２６は全て接状態になる。その後、膨張機１７とモータージェネレータ３の両方の動力でエンジン２にアシストし、エンジン２の燃料噴射量の低減によりエンジン２の出力を低下させる。この出力の低下によりエンジン２の運転状態が領域Ｒ２から領域Ｒ１へ移る。

図５に例示するように、車両の前方の上り勾配θ１の坂路（走行路）が距離Ｄ１である場合、この坂路では、モータージェネレータ３の動力でエンジン２にアシストして、モータージェネレータ３の動力ΔＰ分だけエンジン２の出力を低下させている。エンジン２の出力を低下させることで、排気Ｇの温度が低下して、三方弁１１により第一状態を維持しても作動流体Ｗのエネルギーが上昇し続ける状態にはならない。すなわち、膨張機１７とモータージェネレータ３の両方の動力でエンジン２をアシストすることでランキンサイクルシステム４による排熱の回収を継続させることができる。

制御装置７は、エンジン２の出力を低下させた後、状態取得装置が取得した作動流体Ｗの実際の状態が実験等により予め設定した条件（第１条件と称す）を満たすように三方弁１１により第一状態と第二状態とを切り換える。第１条件を満たしているときには三方弁１１により第一状態に、第１条件を満たしていないときには三方弁１１により第二状態になる。三方弁１１による第一状態と第二状態との切り換えは第１条件に基づくフィードバック制御でもよく、フィードフォワード制御でもよい。

本実施形態では、第１条件は、温度センサ４３の取得値が予め設定された温度範囲内で、かつ、圧力センサ４４の取得値が予め設定された圧力範囲内で、かつ、第二回転数センサ４２の取得値が予め設定された回転数範囲内であるときに満たされる。

ここで、第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２、第１圧力Ｐ１、第２圧力Ｐ２について以下のように定義される。第１温度Ｔ１は、作動流体Ｗにより膨張機１７を作動させる温度の上限値として実験等により予め設定される。第２温度Ｔ２は、第１温度Ｔ１より低い値で、かつ、膨張機１７が作動できる温度の下限値として実験等により予め設定される。第１圧力Ｐ１は、作動流体Ｗにより膨張機１７を作動できる圧力の上限値として実験等により予め設定される。第２圧力Ｐ２は、第１圧力Ｐ１より低い値で、かつ、膨張機１７が作動できる圧力の下限値として実験等により予め設定される。

上記の温度範囲は、第１温度Ｔ１より小さい値を上限値とし、第２温度Ｔ２より大きい値を下限値とする範囲である。上記の圧力範囲は、第１圧力Ｐ１より小さい値を上限値とし、第２圧力Ｐ２より大きい値を下限値とする範囲である。このように温度範囲および圧力範囲を第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２、第１圧力Ｐ１および第２圧力Ｐ２で規定される範囲より狭めることで、蒸発器１６に対する排気Ｇの通過とバイパスを交互に切り換える状態を継続させやすくすることができる。

回転数範囲は、膨張機１７の常用回転数を上限値とし、モータージェネレータ３の特性に応じた発電可能な回転数の最低値を下限値とする範囲である。温度範囲、圧力範囲および回転数範囲は実験等により設定される。

制御装置７は、モータージェネレータ３によるアシストによりエンジン２の出力を低下させている最中（車両が上り勾配θ１の坂路を走行している最中）で、図４の制御マップでエンジン２の運転状態が領域Ｒ１より上方にあるときには、三方弁１１により排気Ｇがバイパス通路１０を通過する第二状態に切り換える。一方、図４の制御マップでエンジン２の運転状態が領域Ｒ１にあるときには、三方弁１１により排気Ｇが蒸発器１６を通過する第一状態に切り換える。なお、モータージェネレータ３によるアシストは、車両が上り勾配θ１の坂路を登り終えるまで継続される。

本実施形態の車両１を用いた制御方法について、図６に例示する制御フローを用いて説明する。図６の制御フローは、車両が所定の距離走行する毎に行われる制御フローである。図７の制御フローは、図６の制御フローでエンジン２の出力を低下させたときに周期的に行われる制御フローである。図６の制御フローの制御周期は、図７の制御フローの制御周期よりも長く、図７の制御フローが複数回行える長さである。

図６の制御フローがスタートすると、ステップＳ１０では、車両１の前方の道路状況を取得する。ステップＳ１０を実施後、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、ステップＳ１０で取得した車両１の前方の道路状況を基に上り勾配θ１の坂路が車両１の前方にあるか否かを判定する。上り勾配θ１の坂路が車両１の前方にあると判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ３０に進む。上り勾配θ１の坂路が車両１の前方にないと判定した場合（ＮＯ）には、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

ステップＳ３０では、車両１の前方で上り勾配θ１の坂路が距離Ｄ１以上続くか否かを判定する。上り勾配θ１の坂路が距離Ｄ１以上続くと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ４０に進む。上り勾配θ１の坂路が距離Ｄ１以上続かないと判定した場合（ＮＯ）には、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

ステップＳ４０では、第一クラッチ２４、第二クラッチ２５および第三クラッチ２６を全て接状態にして、動力伝達機構６により膨張機１７およびモータージェネレータ３からプロペラシャフト５に動力を伝達させる状態にする。ステップＳ４０を実施後、ステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０では、インバータ１２にモータージェネレータ３を駆動するための制御信号を送信することでモータージェネレータ３を駆動する。ステップＳ５０を実施後、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０では、エンジン２の燃料噴射量をモータージェネレータ３の動力に相当する燃料噴射量分だけ低減して、エンジン２の出力を低下させる。ステップＳ６０を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

図７の制御フローがスタートすると、ステップＳ７０では作動流体Ｗの実際の状態を取得する。ステップＳ７０を実施後、ステップＳ８０に進む。

ステップＳ８０では、ステップＳ７０で取得した作動流体Ｗの実際の状態が第１条件を満足するか否かを判定する。第１条件を満足する場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ９０に進む。第１条件を満足しない場合（ＮＯ）には、ステップＳ１００に進む。

ステップＳ９０では、三方弁１１により蒸発器１６に対して排気Ｇを通過させる第一状態にする。ステップＳ１００では、三方弁１１により蒸発器１６に対して排気Ｇをバイパスさせる第二状態にする。ステップＳ９０、Ｓ１００をそれぞれ実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

本実施形態では、ステップＳ１０がランキンサイクルシステム４の作動流体Ｗの状態を予測するためのパラメータを取得するステップに相当する。ステップＳ２０、Ｓ３０が、取得したパラメータに基づいて、作動流体Ｗのエネルギーが上昇し続ける状態になるか否かを予測するステップに相当する。

ステップＳ４０が、作動流体Ｗのエネルギーが上昇し続ける状態になると予測した場合に、動力伝達機構６により膨張機１７およびモータージェネレータ３からプロペラシャフト５に動力を伝達させる状態にするステップに相当する。ステップＳ５０、Ｓ６０が、プロペラシャフト５に動力を伝達させる状態にした後、膨張機１７とモータージェネレータ３の両方の動力でエンジン２にアシストし、エンジン２の出力を低下させるステップに相当する。

なお、制御装置７は、図６、図７の制御フローとは別に図８、図９に示す制御フローをエンジン２の運転中に周期的に行っている。図８、図９に示す制御フローはランキンサイクルシステム４を強制的に冷却して緊急停止させるためのフローで、ランキンサイクルシステム４の緊急停止時には図６、図７の制御フローより優先的に行われる。なお、作動流体Ｗの温度は温度センサ４３で取得され、作動流体Ｗの圧力は圧力センサ４４で取得される。

図８の制御フローがスタートすると、ステップＳ２１０では、作動流体Ｗの温度Ｔが第１温度Ｔ１以下であるか否かを判定する。第１温度Ｔ１は、作動流体Ｗにより膨張機１７を作動させる温度の上限値として実験等により予め設定される。

作動流体Ｗの温度Ｔが第１温度Ｔ１以下である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２２０に進む。作動流体Ｗの温度Ｔが第１温度Ｔ１を超える場合（ＮＯ）には、ステップＳ２５０に進み、ステップＳ２５０にて第１指標値αを１に、第２指標値βを１に設定して、ステップＳ２２０に進む。第１指標値αは、作動流体Ｗの圧力異常を表す指標値であり、作動流体Ｗの圧力異常が懸念されるときには１に、作動流体Ｗの圧力正常時には０に設定される。第２指標値βは、作動流体Ｗの温度異常を表す指標値であり、作動流体Ｗの温度異常が懸念されるときには１に、作動流体Ｗの温度正常時には０に設定される。

ステップＳ２２０では、作動流体Ｗの圧力Ｐが第１圧力Ｐ１以下であるか否かを判定する。第１圧力Ｐ１は、作動流体Ｗにより膨張機１７を作動させる圧力の上限値として実験等により予め設定される。

作動流体Ｗの圧力Ｐが第１圧力Ｐ１以下である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２３０に進む。作動流体Ｗの圧力Ｐが第１圧力Ｐ１を超える場合（ＮＯ）には、ステップＳ２６０に進み、ステップＳ２６０にて第１指標値αを１に設定して、ステップＳ２３０に進む。

ステップＳ２３０では、作動流体Ｗの温度Ｔが第２温度Ｔ２以上であるか否かを判定する。第２温度Ｔ２は、第１温度Ｔ１より低い値で、かつ、膨張機１７が作動できる温度の下限値として実験等により予め設定される。

作動流体Ｗの温度Ｔが第２温度Ｔ２以上である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２４０に進む。作動流体Ｗの温度Ｔが第２温度Ｔ２未満である場合（ＮＯ）には、ステップＳ２７０に進み、ステップＳ２７０にて第１指標値αを０に、第２指標値βを０に設定した後、ステップＳ２４０に進む。

ステップＳ２４０では、作動流体Ｗの圧力Ｐが第２圧力Ｐ２以上であるか否かを判定する。第２圧力Ｐ２は、第１圧力Ｐ１より低い値で、かつ、膨張機１７が作動できる圧力の下限値として実験等により予め設定される。

作動流体Ｗの圧力Ｐが第２圧力Ｐ２以上である場合（ＹＥＳ）には、図９のステップＳ２９０に進む。作動流体Ｗの圧力Ｐが第２圧力Ｐ２未満である場合（ＮＯ）には、ステップＳ２８０に進み、ステップＳ２８０にて第１指標値αを０に設定した後、ステップＳ２９０に進む。

ステップＳ２９０では、第１指標値αが１であるか否かを判定する。第１指標値αが１である場合（ＹＥＳ）には、作動流体Ｗの圧力異常が発生しているとしてステップＳ３００に進み、ステップＳ３００にてランキンサイクルシステム４を停止させる。この停止方法としては、例えば、蒸発器１６に対して排気Ｇをバイパスさせる方法や膨張機１７に対して作動流体Ｗをバイパスさせる方法がある。ステップＳ３００を実施後、ステップＳ３１０に進む。また、第１指標値αが０である場合（ＮＯ）には、ステップＳ３１０に進む。

ステップＳ３１０では、第２指標値βが１であるか否かを判定する。第２指標値βが１である場合（ＹＥＳ）には、作動流体Ｗの温度異常が発生しているとしてステップＳ３２０に進む。第２指標値βが０である場合（ＮＯ）には、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

ステップＳ３２０では、ポンプ１５を予め設定された第１回転数で駆動する。第１回転数は、凝縮器１８を通過する作動流体Ｗの通過頻度が第１回転数に基づく頻度に設定されることで作動流体Ｗを冷却することが可能な値として実験等により予め設定される。ステップＳ３２０を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

このように、作動流体Ｗの圧力異常が発生したときにランキンサイクルシステム４を停止させるとともに、作動流体Ｗの温度異常が発生したときに作動流体Ｗを冷却することでランキンサイクルシステム４を支障なく稼働させることができる。

なお、ステップＳ２１０、Ｓ２２０、Ｓ２３０、Ｓ２４０の判定は順不同で、これらのステップＳ２１０〜Ｓ２４０を行う順番は図８の順番に限定されない。また、ステップＳ２９０、Ｓ３１０の判定は順不同で、これらのステップＳ２９０、Ｓ３１０を行う順番は図９の順番に限定されない。

以上より、本実施形態の車両およびその制御方法によれば、排気Ｇをバイパスさせないと作動流体Ｗのエネルギーが上昇し続ける状態を予測すると、膨張機１７からの動力とモータージェネレータ３の動力との両方の動力のアシストにより、エンジン２の出力を低下させる。このエンジン２の出力の低下に伴って排気Ｇを低温化して排気Ｇをバイパスさせずにランキンサイクルシステム４による排熱の回収を続けることができる。これにより、ランキンサイクルシステム４の作動流体Ｗのエネルギーが過剰に上昇し続けることを抑制しつつ、排熱から動力を取り出す頻度を高めることができる。

上述した上り勾配θ１の坂路が距離Ｄ１である場合に、モータージェネレータ３のアシストなしで三方弁１１により第一状態を維持すると作動流体Ｗのエネルギーが上昇し続ける状態になると予測する。このようにすることで、作動流体Ｗのエネルギーが上昇し続ける状態になるときを正確に予測することができる。

蒸発器１６に対する排気Ｇの通過とバイパスを切り換える条件を、温度センサ４３の取得値が温度範囲内で、かつ、圧力センサ４４の取得値が圧力範囲内で、かつ、第二回転数センサ４２の取得値が回転数範囲内であることとする。このようにすることで、作動流体Ｗのエネルギーが過剰に上昇し続けないように正確に行うことができる。

１ 車両
２ エンジン（内燃機関）
２ａ 気筒
２ｂ 燃料噴射弁
３ モータージェネレータ（電動発電機）
４ ランキンサイクルシステム
５ プロペラシャフト
６ 動力伝達機構
７ 制御装置
８ 排気通路
９ 排気後処理装置
１０ バイパス通路
１１ 三方弁（バイパス弁）
１２ インバータ
１３ バッテリ
１４ 作動流体が循環する流路
１５ ポンプ（駆動装置）
１６ 蒸発器
１７ 膨張機
１８ 凝縮器
１９ タンク（作動流体の貯留装置）
２０ エンジンクラッチ
２１ 変速機
２２ 車輪
２３ 動力入出力装置
２４ 第一クラッチ
２５ 第二クラッチ
２６ 第三クラッチ
２７ 動力分配装置
２８ 駆動軸
２９ 歯車
３０ 歯車
３１ 第一駆動軸
３２ 第二駆動軸
３３ 第三駆動軸
３４ 第一歯車
３５ 第二歯車
３６ 第一ユニット
３７ 第二ユニット
３８ 車体フレーム
３９ 第一ブラケット
４０ 第二ブラケット
４１ 第一回転数センサ
４２ 第二回転数センサ（回転数取得装置）
４３ 温度センサ（温度取得装置）
４４ 圧力センサ（圧力取得装置）
４５ エンジン回転数センサ
４６ 道路状況取得装置（予測パラメータ取得装置）

Claims (5)

1. 内燃機関と、電動発電機と、前記内燃機関から排出される排気の排熱を回収するランキンサイクルシステムと、前記内燃機関の動力が伝達されるプロペラシャフトと、前記電動発電機、前記ランキンサイクルシステムが有する膨張機、および、前記プロペラシャフトの間で動力を伝達する動力伝達機構と、制御装置と、を備えて構成される車両において、
   前記ランキンサイクルシステムは、排気が蒸発器をバイパスするバイパス通路と、排気が前記蒸発器を通過する第一状態または排気が前記バイパス通路を通過する第二状態を切り換えるバイパス弁とを有し、
   前記ランキンサイクルシステムの作動流体の状態を予測するためのパラメータを取得する予測パラメータ取得装置を備えて、
   前記制御装置が、前記予測パラメータ取得装置が取得したパラメータに基づいて、作動流体のエネルギーが上昇し続ける状態になると予測される場合に、前記動力伝達機構により前記膨張機および前記電動発電機から前記プロペラシャフトに動力を伝達させる状態にして、前記膨張機と前記電動発電機の両方の動力で前記内燃機関にアシストし、前記内燃機関の出力を低下させることを特徴とする車両。
2. 前記作動流体のエネルギーが上昇し続ける状態は、前記内燃機関の運転状態が前記内燃機関の出力トルクと回転数とに基づくマップで、高出力トルクかつ低回転数の領域に収まり続ける状態である請求項１に記載の車両。
3. 前記予測パラメータ取得装置が前記車両の前方の道路状況を取得する道路状況取得装置であり、
   前記制御装置は、前記道路状況取得装置が取得した前記前方の道路状況が所定の上り勾配の坂路が予め設定された距離である場合に、前記作動流体のエネルギーが上昇し続ける状態になると予測することを特徴とする請求項１または２に記載の車両。
4. 前記ランキンサイクルシステムの作動流体の実際の状態を取得する状態取得装置を備えるとともに、前記状態取得装置が、前記膨張機に流入する作動流体の温度を取得する温度取得装置と、前記膨張機に流入する作動流体の圧力を取得する圧力取得装置と、前記膨張機または前記電動発電機の回転数を取得する回転数取得装置とで構成されて、
   前記温度取得装置の取得値が予め設定された温度範囲内で、かつ、前記圧力取得装置の取得値が予め設定された圧力範囲内で、かつ、前記回転数取得装置の取得値が予め設定された回転数範囲内であるときに、前記バイパス弁により前記第一状態にし、それ以外のときに前記バイパス弁により前記第二状態にすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両。
5. 請求項１に記載の車両の制御方法において、
   前記ランキンサイクルシステムの作動流体の状態を予測するためのパラメータを取得するステップと、
   前記取得した前記パラメータに基づいて、前記作動流体のエネルギーが上昇し続ける状態になるか否かを予測するステップと、
   前記作動流体のエネルギーが上昇し続ける状態になると予測した場合に、前記動力伝達機構により前記膨張機および前記電動発電機から前記プロペラシャフトに動力を伝達させる状態にするステップと、
   前記プロペラシャフトに動力を伝達させる状態にした後、前記膨張機と前記電動発電機の両方の動力で前記内燃機関にアシストし、前記内燃機関の出力を低下させるステップと、
   を含むことを特徴とする車両の制御方法。

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