JP4140532B2 - 内燃機関の発電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸入負圧を利用して発電を行う発電機と、エンジンの軸出力を利用して発電を行う発電機を備える内燃機関の制御装置に関する。

従来からエンジン出力を上げる技術として、エンジン吸気通路に設け、エンジンや電動機により駆動される容積型過給機、いわゆるスーパーチャージャーが知られている。

特許文献１には、電動機および発電機に連結された容積型過給機を用いて、高負荷時には電動機により容積型過給機を駆動して過給を行い、低負荷時にはエンジンの吸入負圧によって回転する容積型過給機と連結された発電機によって発電を行う技術が開示されている。
特開２００２−３５７１２７号

しかしながら、特許文献１に記載のシステムはスロットルバルブを有さず、吸入空気量の制御も容積型過給機で行っている。これは船舶のようにエンジンが一定の条件で運転されることが多い場合においては有効な技術である。しかし、自動車のようにエンジンの運転状況が常に変化する場合には制御が困難である。また、発電要求は、そのときの電力消費量と電気蓄積可能量で決定されている。

したがって、自動車用の過給装置として考えると、容積型過給機がスロットルバルブの機能を兼用する特許文献１のシステムでは、例えば吸入空気量要求は小さい場合には発電可能量も小さいので、発電要求が大きい場合には、発電要求を満足することはできない。

そこで、発電要求が大きい場合等には、従来と同様にエンジン軸出力を利用した発電を行う必要があるが、発電機を駆動する分だけエンジン軸出力は低下するので、２つの発電をどのように使い分けるかが課題となる。

そこで、本発明では、発電機の駆動方法として、吸入負圧による駆動と、エンジン軸出力による駆動とを選択可能な発電システムの発電効率の向上を目的とする。

本発明の内燃機関の発電制御装置は、エンジンの吸気通路に介装されたロータと、前記ロータにシャフトを介して接続され、前記ロータが回転することにより駆動されて発電を行い、かつ前記ロータを回転させる電動機としても機能し得る発電機と、車両の要求電力を検知する手段と、前記発電機の発電可能量を検知する発電可能量検出手段と、前記要求電力と前記発電可能量に応じて、前記発電機への前記エンジンの軸出力の伝達を断続する伝達断続手段と、前記ロータの回転速度を検知する手段と、前記エンジンの回転速度を検出する手段と、前記伝達断続手段に伝達断続指令を出す制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記要求電力が前記発電機の発電可能量より大きい場合には、エンジンの軸出力を伝達して前記発電機を駆動し、前記要求電力が前記発電機の発電可能量より小さい場合には、エンジンの軸出力の伝達を解除するよう制御し、エンジンの軸出力を伝達する際には、前記発電機の発電量を低減させ、または前記発電機を電動機として機能させることで前記ロータの回転速度を上昇させ、前記ロータの回転速度と前記エンジンの回転速度とが同期したときに前記伝達断続手段を締結する。

本発明によれば、発電機は、エンジンの軸出力が伝達される場合にはエンジンの軸出力によって、また、伝達を解除した場合にはシャフトを介して接続されたロータがエンジンの吸入負圧によって回転することによって駆動される。そして、吸入負圧による駆動での発電量が車両の消費電力より大きい場合には、吸入負圧による発電を行い、車両の消費電力の方が大きい場合には軸出力による発電を行うように制御されるので、発電機の駆動による軸出力の低下を低減し、システム全体としての発電効率を高め、無駄なくエネルギーを使用することが可能となる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態のシステムの構成を表す図である。１はエンジンであり、３はシャフト９を介してエンジン１の吸気通路１０に設けられたロータ２と接続された発電機、１３はエンジン１へ供給する空気量を調節するスロットルバルブである。

シャフト９とエンジン１のクランクシャフト１２にはベルト１１が掛けまわされ、また、クランクシャフト１２とベルト１１の間にはクラッチ機構４が設けられている。クラッチ機構４を締結するとクランクシャフト１２の軸出力がベルト１１を介して発電機３に伝達される。

なお、ロータ２は容積型過給機のブロアーと同様の構造である。また、発電機３は図７の発電可能量マップに示すように、エンジン１が低中負荷運転、かつエンジン回転数が高い場合に発電可能量が大きくなるという発電特性をもつ。

発電機３で発電された電力は、車載装置の作動に使用されたり、バッテリ６に充電されたりする。

シャフト９付近にはシャフト９の回転数を検出する回転センサ８が、また、ロータ２下流の吸気通路には圧力センサ７が設けられ、これら両センサの検出値はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）５に入力される。

ＥＣＵ５は、上記検出値に基づいて発電機３の発電量の算出、およびクラッチ４の締結・解除、スロットルバルブ１３の開度の制御を行う。

上記システムの発電原理は以下のとおりである。

クラッチ機構４が解除されている場合は、シャフト９を介して接続されているロータ２が、エンジン１が低・中負荷運転されているときに発生する吸入負圧により回転し、これにより駆動されて発電を行う。このため、これは、従来はスロットル部で吸気流量を絞ることで損失していたエネルギーの一部を、ロータ２を回転させるため、つまり発電に使用して電力として回収していることになる。

クラッチ機構４が締結されている場合は、従来のオルタネータと同様に、ベルト１１を介して伝達されるエンジン１の出力によって発電機３が駆動されて発電を行う。

エネルギー効率を考えると、エンジン出力を利用するより、吸入負圧による発電を優先すべきである。そこで、ＥＣＵ５は図２のフローチャートに示すように吸入負圧による発電を優先するよう制御する。以下、フローチャートを参照して説明する。

ステップＳ１００では、車両全体の消費電力Ｗｄを、車載されている各装置のスイッチのＯＮ・ＯＦＦ状態等から検知する。

ステップＳ１１０では、回転センサ８の検出信号からロータ２の回転速度Ｒｃを検知する。

ステップＳ１２０では、圧力センサ７の検出信号からロータ２下流の吸気通路内圧力Ｐｃを検知する。

ステップＳ１３０では、発電機３の発電可能量（以下、負圧発電可能量という）Ｗｇを下式（１）のように算出する。

Ｗｇ＝係数×Ｒｃ×Ｐｃ ・・・（１）
ステップＳ１４０では、消費電力Ｗｄと負圧発電可能量Ｗｇとを比較する。

消費電力Ｗｄのほうが大きい場合はステップＳ１５０に進む。

ステップＳ１５０では、発電機３の発電量を減少させる。これにより発電機３の回転負荷は低減するので、回転数が上昇する。

ステップＳ１６０ではエンジン１の回転速度と発電機３の回転速度とを比較し、両回転速度が同一であればステップＳ１７０に進み、クラッチ機構４を締結する。同一でない場合にはリターンし、回転速度が同一になったときに締結する。

ステップＳ１４０で消費電力Ｗｄの方が小さい場合はステップＳ１８０に進む。この場合は、負圧発電のみで消費電力Ｗｄを賄うことが可能であるので、クラッチ機構４の締結を解除する。

上記のように、本実施形態では吸入負圧による発電を優先し、負圧発電可能量Ｗｇだけでは車両の消費電力Ｗｄを賄えなくなったときのみ、クラッチ機構４を締結してエンジン１の軸出力による発電を行う。

なお、スロットルバルブ１３の開度は、ロータ２を通過する空気量と、エンジン１が要求する空気量と、車両の発電要求に基づいて制御される。例えば、クラッチ機構４を解除しているときであれば、発電量を増大させてロータ２の回転速度を低下させることによって、エンジン１の要求空気量を調節する。仮にこの方法でエンジン１への供給空気量が多い場合にはスロットルバルブ１３の開度を絞り、調節する。

クラッチ機構４を締結した場合には、ロータ２はエンジン１の軸出力によって強制的に回転するので、ロータ２の回転速度による吸入空気量調節は難しい。そこで、このような場合には、従来のエンジンと同様にスロットルバルブ１３の開度を調節することで吸気量を調節する。

つまり、従来はポンピングロスとして損失していたエネルギーを利用する吸入負圧による発電を優先的に実行し、エンジン出力を利用する発電は必要最小限に抑えることができるので、エンジン出力のロスを抑えることができ、燃費向上等の効果を得ることができる。

上記制御を実行した場合のタイムチャートを図６に示す。

ｔ１以前は負圧発電可能量Ｗｇが消費電力Ｗｄより大きいので、クラッチ機構４の締結は解除されている。ｔ１で消費電力Ｗｄが増大して負圧発電可能量Ｗｇより大きくなると、発電機３の発電量を低減して発電機３の回転速度を上昇させ、エンジン回転速度と発電機の回転速度が同期するｔ２でクラッチ機構４を締結してエンジン１の軸出力による発電を行う。ｔ３で再び消費電力Ｗｄが負圧発電可能量Ｗｇより小さくなるとクラッチ機構４の締結を解除する。以降、同様に消費電力Ｗｄが負圧発電可能量Ｗｇより大きくなった場合に、エンジン回転速度と発電機３の回転速度を同期させてからクラッチ機構４を締結してエンジン１の軸出力による発電を行う。

以上により、本実施形態では、エンジン１が低・中負荷運転をしているときに発生する吸入負圧を利用して行う発電と、エンジン１の軸出力を利用して行う発電とを切換えることが可能で、吸入負圧発電可能量Ｗｇが車両全体の消費電力Ｗｄより大きい場合には吸入負圧を利用し、小さくなった場合にのみエンジン１の軸出力を利用するので、エンジン出力のロスを最小限に抑えることができ、燃費向上等の効果を得ることができる。

クラッチ機構４は、エンジン１の回転速度と発電機３の回転速度を同期させてから締結するので、締結時のショックを防止することができる。

なお、ロータ２の上流と下流とを連通するバイパス通路と、バイパス通路の開閉を行うバイパス弁と、を設け、吸入負圧を利用して発電を行うときにはバイパス弁を閉じ、エンジン１の軸出力を利用して発電を行うときにはバイパス弁を開くよう制御してもよい。

これにより、エンジン１の軸出力を利用して発電を行うときには、通気抵抗の少ないバイパス通路を通して吸気することになるので、より効率よくエンジン１に空気を供給することが可能となる。

また、クラッチ機構４の締結のために発電機３とエンジン１の回転速度を同期させる際に、発電機３を電動機として機能させて発電機３の回転速度を上昇させてもよい。

また、本実施形態においては、車両の消費電力Ｗｄを検地して吸入負圧発電可能量Ｗｇとの比較をして制御を行っているが、消費電力Ｗｄに限らず、車両の要求電力量に相当するものであれば同様の効果を得ることができる。

第２実施形態について図３を参照して説明する。

本実施形態のシステムの構成および制御は基本的に第１実施形態と同様であるが、図２のステップＳ１１０〜Ｓ１３０に相当する部分、つまり負圧発電可能量の算出方法が異なる。また、ロータ２下流の吸気通路内圧力を検出する圧力センサ７を設ける必要はない。

ステップＳ１００に相当するステップＳ２００では、ステップＳ１００と同様に消費電力Ｗｄを検知する。

本実施形態では、ステップＳ１１０に相当するステップＳ２１０でエンジン回転速度Ｎを検知する。これは、通常のエンジン制御用に使用しているクランク角センサ等の検出値を用いることができる。

ステップＳ１２０に相当するステップＳ２２０では、エンジン吸入空気量からエンジン１の負荷Ｆを求める。エンジン吸入空気量は、エンジン回転速度およびアクセル開度等、通常のエンジン制御に使用しているセンサの検出値からマップ検索等により算出することが可能である。また、圧力センサ７により検出する吸入圧力とエンジン回転数とから算出することもできる。また、吸気通路中にエアフローメータを設けて測定することも可能である。

ステップＳ１３０に相当するステップＳ２３０では、上記で求めたエンジン回転速度および負荷Ｆを用いて図７の発電可能量マップを検索して、負圧発電可能量Ｗｇを求める。

以降のステップでは、第１実施形態と同様に消費電力Ｗｄとの比較を行い、クラッチ機構４の締結・解除を制御する。

上記制御を実行した場合のタイムチャートは図６と同様となる。

以上により、本実施形態では第１実施形態と同様に、吸入負圧による発電を優先的に行い、エンジン１の軸出力による発電を最小限に抑えるので、エンジン出力のロスを最小限に抑えることができ、燃費向上等の効果を得ることができる。

第３実施形態について図４を参照して説明する。

図４は本実施形態の制御フローを示した図であり、本実施形態も第２実施形態と同様に、
第１実施形態のステップＳ１１０〜Ｓ１３０に相当する部分が異なる。また、ロータ２下流の吸気通路内圧力を検出する圧力センサ７を設けずに、発電機３の電流値および電圧値を検出するセンサを設ける。

ステップＳ１００に相当するステップＳ３００では、ステップＳ１００と同様に消費電力Ｗｄを検知する。

ステップＳ１１０に相当するステップＳ３１０では、発電機３の電流値（負圧発電電流値）Ｉｂを検知する。

ステップＳ１２０に相当するステップＳ３２０では、発電機３の電圧値（負圧発電電圧値）Ｖｂを検知する。

ステップＳ１３０に相当するステップＳ３３０では、負圧発電電流値Ｉｂ、負圧発電電圧値Ｖｂから、負圧発電可能量Ｗｇを下式（２）により算出する。

Ｗｇ＝Ｉｂ×Ｖｂ ・・・（２）
以降のステップでは、第１実施形態と同様に第１実施形態と同様に消費電力Ｗｄとの比較を行い、クラッチ機構４の締結・解除を制御する。

上記制御を実行した場合のタイムチャートは図６と同様となる。

以上により、本実施形態では第１実施形態と同様に、吸入負圧による発電を優先的に行い、エンジン１の軸出力による発電を最小限に抑えるので、エンジン出力のロスを最小限に抑えることができ、燃費向上等の効果を得ることができる。

第４実施形態について図５を参照して説明する。

本実施形態は、システムの構成は基本的に第１実施形態と同様であるが、ロータ２下流の吸気通路内圧力を検出する圧力センサ７を設けずに、バッテリ６に流れ込む電流値を検出するセンサを設ける。

制御方法についても基本的には第１実施形態と同様であるが、クラッチ機構４の締結・解除の判定方法が異なる。図５は本実施形態の制御フローを示した図であり、以下、制御フローにしたがって説明する。

ステップＳ４００では、発電機３からバッテリ６に流れ込む電流値Ｉｂｔを検知する。

ステップＳ４１０では、上記電流値Ｉｂｔがゼロより大きいか否かの判定を行う。発電機３からバッテリ６に流れ込む電流値Ｉｂｔがゼロより小さい場合、つまり、発電機３により発電した電力が全て車載装置の作動に使用され、バッテリ６の充電が行われていない場合には、ステップＳ４２０に進む。ステップＳ４２０〜Ｓ４４０は図２のステップＳ１５０〜Ｓ１７０と同様であるので、説明を省略する。

上記電流値Ｉｂｔがゼロより大きい場合は、発電機３により発電した電力でバッテリ６の充電も行われている、つまり発電機３による発電量で十分であるということなので、ステップＳ４５０に進みクラッチ機構４の締結を解除する。

上記制御を実行した場合も、タイムチャートは図６と同様である。

以上により、本実施形態では第１実施形態と同様に、吸入負圧による発電を優先的に行い、エンジン１の軸出力による発電を最小限に抑えるので、エンジン出力のロスを最小限に抑えることができ、燃費向上等の効果を得ることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本発明は、エンジンの吸入負圧を利用した駆動方法と、その他の駆動方法を切換え可能な発電機を備える発電システム、もしくは、駆動方法の異なる複数の発電機を備える発電システムに適用可能である。

第１実施形態のシステムの構成を表す図である。 第１実施形態の制御フローチャートである。 第２実施形態の制御フローチャートである。 第３実施形態の制御フローチャートである。 第４実施形態の制御フローチャートである。 第１実施形態を実行した場合のタイムチャートである。 発電機の発電可能量マップである。

符号の説明

１ エンジン
２ ロータ
３ 発電機
４ クラッチ機構
５ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
６ バッテリ
７ 圧力センサ
８ 回転センサ
９ シャフト
１０ 吸気通路
１１ ベルト

Claims (6)

1. エンジンの吸気通路に介装されたロータと、
   前記ロータにシャフトを介して接続され、前記ロータが回転することにより駆動されて発電を行い、かつ前記ロータを回転させる電動機としても機能し得る発電機と、
   車両の要求電力を検知する手段と、
   前記発電機の発電可能量を検知する発電可能量検出手段と、
   前記要求電力と前記発電可能量に応じて、前記発電機への前記エンジンの軸出力の伝達を断続する伝達断続手段と、
   前記ロータの回転速度を検知する手段と、
   前記エンジンの回転速度を検出する手段と、
   前記伝達断続手段に伝達断続指令を出す制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記要求電力が前記発電機の発電可能量より大きい場合には、エンジンの軸出力を伝達して前記発電機を駆動し、
   前記要求電力が前記発電機の発電可能量より小さい場合には、エンジンの軸出力の伝達を解除するよう制御し、
   エンジンの軸出力を伝達する際には、前記発電機の発電量を低減させ、または前記発電機を電動機として機能させることで前記ロータの回転速度を上昇させ、前記ロータの回転速度と前記エンジンの回転速度とが同期したときに前記伝達断続手段を締結することを特徴とする内燃機関の発電制御装置。
2. エンジンの吸入空気量を調整する吸気調整手段と、
   エンジンの要求空気量を検出する手段と、
   前記ロータを通過する空気量を検出する手段と、を有し、
   前記吸気調整手段は前記要求電力量とエンジンの要求空気量とロータを通過する空気量とに基づいて前記吸気調整手段を制御する請求項１に記載の内燃機関の発電制御装置。
3. 発電可能量検出手段は、前記ロータ下流の吸気通路内圧力を検出する手段と、を備え、
   前記ロータの回転速度と前記ロータ下流の吸気通路内圧力とを積算することにより前記発電機の発電可能量を算出する請求項１または２に記載の内燃機関の内燃機関の発電制御装置。
4. 発電可能量検出手段は、エンジンの吸入空気量を検出する手段とを備え、
   エンジンの回転速度と吸入空気量とに基づいてマップ検索を行うことにより前記発電機の発電可能量を、算出する請求項１または２に記載の内燃機関の発電制御装置。
5. 発電可能量検出手段は、前記発電機の電流値と電圧値とを検出する手段を備え、電流値と電圧値とを積算することにより前記発電機の発電可能量を、算出する請求項１または２に記載の内燃機関の発電制御装置。
6. 発電可能量検出手段は、バッテリに流れ込む電流値を検出する手段を備え、前記電流値がゼロより大きい場合は前記発電機の発電可能量が前記要求電力より大きく、前記電流値がゼロより小さい場合は前記発電機の発電可能量が前記要求電力より小さいと判断する請求項１または２に記載の内燃機関の発電制御装置。

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