JP6430270B2

JP6430270B2 - 電動回生過給機

Info

Publication number: JP6430270B2
Application number: JP2015011938A
Authority: JP
Inventors: 雄希奥田; 紀村　博史; 博史紀村; 榎本　裕治; 裕治榎本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2035-01-26
Also published as: US20160215781A1; JP2016138451A

Description

本発明は、電動回生過給機に係り、例えば、電気的にタービンとコンプレッサを接続した電動回生ターボに好適な電動回生過給機に関する。

内燃機関の吸入空気量を加圧することで、高出力や低燃費を得ようとする試みが以前から存在する。過給手段として一般的なターボチャージャは、排気のエネルギを利用して過給を行うために、過給の立ち上がりが良好でなく、これを補うために電動機を搭載して強制的に回転駆動力を与える試みもなされている。

電動機によってターボチャージャを駆動するためには大きな出力を持つ電動機が必要となる。特許文献１では、電動機を駆動するバッテリと、補機類を駆動するバッテリを備え、電動機を駆動するバッテリを高電圧化する電動機付きターボチャージャが示されている。

特開２００３―２９３７８２号公報

特許文献１の電動機付きターボチャージャは、高電圧化した電源によりターボチャージャ用の電動機を駆動することで駆動時の電力損失を小さくしている。

しかしながら、特許文献1に示される電動機付きターボチャージャは、その電動機の駆動中に高電化したバッテリを充電する手段に乏しく、高電圧化バッテリが枯渇した際には補機類を駆動するバッテリから高電圧化バッテリへ昇圧して電力を供給するなどして、高電圧化バッテリを充電する必要があり、継続して電動機による過給を行うことが困難であった。

このような課題を鑑みて、本発明の目的は、過給手段として電動機を用いる場合に、過給の間にあっても電動機を駆動するための電力を得られ、効率的に電動機による過給を継続する電動回生過給機を提供することにある。

本発明の電動回生過給機は、排気経路に配置され、発電機を備える排気エネルギ回生手段と、内燃機関の吸気経路に配置され、電動機を備える過給手段とを備える電動回生過給機において、前記電動機は前記発電機に対して独立に駆動し、前記排気エネルギ回生手段と前記過給手段とに電気的に接続する第１の蓄電手段と、前記第１の蓄電手段と接続され、電装品へ電力を供給する第２の蓄電手段と、前記第１の蓄電手段と前記第２の蓄電手段との間に配置される電力変換手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、過給手段による過給を継続する間であっても過給手段を駆動するための電力を効率的に得ることができ、電動機による過給を継続することが出来る。

本発明の第１及び第２の実施形態の電動回生過給機の構成を説明する図。本発明の第１の実施形態における第１の蓄電手段の充電量の変化を示すタイムチャート。本発明の第２の実施形態に対する比較例を説明する図。本発明の第３の実施形態の電動回生過給機の構成を説明する図。本発明の第４の実施形態の電動回生過給機の構成を説明する図。本発明の第４の実施形態における発電機の界磁電流に対する発電電流と発電電圧の特性を説明する図。本発明の第４の実施形態における発電機の回転数に対する発電電流と発電電圧の特性を説明する図。本発明の第４の実施形態における発電機の界磁電流に対する発電電流と発電トルクの特性を説明する図。本発明の第５の実施形態の電動開始得過給機の構成を説明する図。本発明の第５の実施形態における発電機の回転数と発電電圧の特性を説明する図。本発明の第６の実施形態の電動回生過給機の構成を説明する図。

本発明に係る電動回生過給機の実施形態について、図面を参照して以下に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態の電動回生過給機を有する内燃機関１００の構成を図１に示す。内燃機関の吸気経路には過給手段（例えばコンプレッサ）１０１と過給手段１０１を駆動する電動機１０２が設けられる。電動機１０２は正転、停止、逆転駆動することが可能となっている。

過給手段１０１は限定されず、内燃機関１００へ空気を圧送する又は減圧して輸送する。吸入する空気の流量を増す又は減少させる効果を得られるものであればよく、前記のコンプレッサや軸流ファンなどのターボ圧縮機やスクリュウ圧縮機、リショルムコンプレッサ等の容積型の圧縮機であっても良い。

また、内燃機関１００の吸気経路には内燃機関１００へ吸入した空気を適当に分配するための吸気マニフォールド１０４並びに、吸気マニフォールド１０４内の圧力を計測する圧力センサ１０５を設けている。なお、コンプレッサ１０１至る吸気マニフォールド１０４の間には内燃機関１００の出力を制御するスロットル弁１０３を設けていても良い。

内燃機関１００の排気経路には、排気エネルギによって駆動される排気エネルギ回生手段１０６（例えばタービン）並びに排気エネルギ回生手段１０６によって駆動される発電機１０７が設けられる。

排気エネルギ回生手段１０６は、排気によって駆動され、少なくとも排気エネルギから回転力を得られる機構であれば特に限定されず、前記のタービンや風車などを用いることが出来る。

なお、内燃機関１００至る排気エネルギ回生手段１０６の経路には図示しない触媒装置が設けられていても良く、前記触媒装置は排気エネルギ回生手段１０６の下流に設けられていても良い。加えて、内燃機関１００至る排気エネルギ回生手段１０６の経路上には排気再循環のために吸気経路とをバイパスする排気再循環経路が設けられていても良い。この排気再循環経路は排気エネルギ回生手段１０６より下流に設けられていても良い。

電動機１０２と発電機１０７とは第１の蓄電手段１０８と電気的に接続される。第１の蓄電手段１０に８は電力変換手段１０９を通じて第２の蓄電手段１１０が接続される。

第２の蓄電手段１１０は内燃機関１００や本発明の電動回生過給機を制御するコントローラ１１１や内燃機関１００を制御するために必要な補機類１１２等の電装品へ電力を供給する。前記の制御はコントローラ１１１に実装されたプログラムにより提供される。コントローラ１１１は、各種プログラムを実行可能なマイコンとプログラムを格納するＲＯＭ、並びにプログラムの実行中に一時的な情報を記憶するためのＲＡＭ等によって構成される。

第２の蓄電手段１１０は第１の蓄電手段１０８から電力変換手段１０９を通じて得られる電力のほか、内燃機関１００の出力軸１１３からベルトを使った巻き掛けや歯車を使った伝達機構により駆動される第３の発電機１１４によって充電される。

また、第１の蓄電手段１０８には状態監視センサ１１５が設けられており、第１の蓄電手段１０８の電圧、充放電の電流、温度、等から充電状態や蓄電手段の健全性を評価している。同様の状態監視センサは第２の蓄電手段１１０にも設けられており、状態監視センサ１１５並びに１１６は第２の蓄電手段１１０の充電状態、健全性をコントローラ１１１へ送信する。

本実施形態によれば、電動機１０２に電力を供給する第１の蓄電手段１０８とコントローラ１１１並びに内燃機関１００の補機類１１２へ電力を供給する第２の蓄電手段１１０とが分離される。

この構成とすることで、電動機１０２が大電力で駆動される際に生じる第１の蓄電手段の１０８の電圧変動が第２の蓄電手段１１０へ影響を及ぼすことがなくなり、コントローラ１１１並びに内燃機関１００の補機類１１２を安定的に運用できる。

また、この構成とすることで、第１の蓄電手段１０８と第２の蓄電手段１１０との動作電圧、ひいては、電動機１０２及び発電機１０７の定格電圧を高めて、電流を減少させることでこれらを接続するハーネス径を縮小してコストを下げることや第１及び第２の蓄電手段に異なる性質の電源を採用することが可能となる。

すなわち、第１の蓄電手段には大電力の出力や回生といった高い電源応答性に対応可能なキャパシタやコンデンサといった電源を採用することが好ましい。このようなキャパシタやコンデンサとしては正極に活性炭電極、負極にはリチウムイオンを脱挿入可能な炭素材料にリチウムイオンを挿入させたハイブリッドキャパシタである、リチウムイオンキャパシタや、正・負極の双方に活性炭電極を採用した電気２重層コンデンサが挙げられる。

何れのキャパシタやコンデンサも蓄電素子内部の電極界面に生じる電気２重層へ、電荷が吸着及び脱離する物理反応によって電荷を蓄えるために、大電力の出力、回生といった用途や繰り返しの充放電に適している。

電動機１０２を大電力で駆動できれば過給手段１０１の応答性を高めることができ、内燃機関１００の出力調整の応答性がより高まる。

排気エネルギ回生手段１０６は過給手段１０１によって過給された新気の量が増加することによって駆動力を増し、発電機１０７の発電量を増加する。したがって、発電機１０７の駆動を待つまでは、第１の蓄電手段１０８に蓄えた電力を供給することで電動機１０２は駆動される。

図２には本発明の第１の実施形態における、第１の蓄電手段１０８の充電量の変化を説明するタイムチャートを示した。時刻t１で、電動機１０２をより正転側、すなわち過給量を増大する方向に制御して内燃機関１００の出力を増大方向制御すると、遅れて排気流量が増加する。排気流量の増加に伴って、排気エネルギ回生手段１０６によって駆動される発電機１０７の発電量も増加する。その間に第１の蓄電手段１０８の充電量は時刻ｔ１で電動機１０２の出力が増加するとともに放電量が増加し、充電量は減少に転じる。その後時刻ｔ２で発電機１０７の発電量が増加し、発電機１０７の発電量が電動機１０２の出力を上回ることで再び充電される。その後時刻ｔ３で電動１０２を逆転方向に制御して、内燃機関１００への新気量を減じて出力を抑制する際には、再び幾らかの遅れをもって内燃機関１００の排気流量は減少し、つれて時刻ｔ４からは発電機１０７の発電量も減少する。排気の流量が減少する一方で、電動機１０２は逆転方向に駆動されるため、より多くの電力が第１の蓄電手段１０８より放電される。その後時刻ｔ５で再び電動機１０２が正転方向に制御されて、排気流量が増加し、時刻ｔ６では発電機１０７の発電量が増加し、第１の蓄電手段１０８は充電量を回復する。

すなわち、図２に示したタイムチャートのように第１の蓄電手段１０８は充放電を繰り返すことになる。この観点からも第１の蓄電手段１０８にはキャパシタやコンデンサといった電源の採用が望ましい。

他方、第２の蓄電手段は車載電源として一般的な鉛バッテリを従来公知の方法で運用することが出来る。

第２の蓄電手段１１０には大容量を安価で達成可能な、前記の鉛バッテリやリチウムイオン２次電池を採用することが好ましい。鉛バッテリは大容量を安価に達成することが可能であり好適である。リチウムイオン２次電池はエネルギ密度が高く、大容量を鉛バッテリと比較して軽量に達成することが出来るため、例えば本発明が自動車用エンジンに対して適用される場合に車両の軽量化に貢献する。

第１の蓄電手段１０８と第２の蓄電手段１１０は電力変換手段１０９によって接続される。蓄電手段の状態監視センサ１１５並びに１１６は第２の蓄電手段１１０の充電状態に基づいて第１の蓄電手段１０８と第２の蓄電手段１１０の電力を融通する。

例えば第１の蓄電手段１０８に蓄えられた電力に余裕があり、加えて排気エネルギ回生手段１０６及び発電機１０７が駆動する場合に、コントローラ１１１は電力変換手段１０９を制御して第１の蓄電手段１０８の電力を第２の蓄電手段１１０へ移動させて第２の蓄電手段１１０を充電する。このように制御を提供することで、内燃機関１００の出力軸から巻き掛けや歯車伝達機構により駆動される第３の発電機１１４の駆動機会を減らすことで内燃機関１００の負荷が減り、内燃機関１００の出力向上や燃費良化が期待できる。

また、電力変換手段１０９が介在することで、第１の蓄電手段１０８と第２の蓄電手段１１０はその動作電圧を異ならせることが出来るほか、第１の蓄電手段１０８並びに第２の蓄電手段１１０とが同じ動作電圧であっても、第１の蓄電手段にはキャパシタやコンデンサといった特性の異なる電源を用いることで第２の蓄電手段と比較してより深く第１の蓄電手段を放電させる運用を行うことも可能である。

例えば、第１の蓄電手段１０８を第２の蓄電手段１１０よりも高電圧に運用する場合には、第２の蓄電手段１１０は自動車用電源として一般的な１２Ｖ又は２４Ｖで運用されることが想定される。これに対して高電圧に運用されればよく、また、１ｋＷ程度の放電、回生を行った場合にシステム電流が５０Ａ未満となる様な電圧を選定するとより好適である。このような電圧として２４Ｖ以上が適当であり、３６Ｖや４８Ｖといった電源電圧を採用できるが、これらの電圧はその一例であり限定されるものではない。

このような第１の蓄電手段の動作電圧の上限値は６０Ｖや３００Ｖといった値を設定するとよい、６０Ｖ程度の電圧を上限とすることで第２の蓄電手段１１０との電圧差の拡大を抑制し、変圧によって生じる損失を低減できる。

第１の蓄電手段１０８の動作電圧を３００Ｖ程度に設定すると、例えばハイブリッド電気自動車向けの部品を流用して本実施形態のシステムを構築することが可能になり、流通量の多い部品を使うことによるコスト低減が期待できる。

第１の蓄電手段１０８と第２の蓄電手段１１０の動作電圧を同じにして第１の蓄電手段１０８をより深く放電可能にする場合には、第１の蓄電手段１０８に対して第２の蓄電手段１１０が高電圧に運用されるため、蓄電手段の運用形態にあわせて、電力変換手段１０９は一方向へ降圧（又は昇圧）するもの、双方向に昇圧（又は降圧）が可能なものを選定するのがより好ましい。
すなわち、電動回生過給機は、排気経路に設けられ、発電機を備える排気エネルギ回生手段と、内燃機関の吸気経路に設けられ、前記発電機に対して独立に駆動可能な電動機を備える過給手段と、前記排気エネルギ回生手段と前記過給手段とに電気的に接続される第１の蓄電手段と、前記第１の蓄電手段と接続され、電装品へ電力を供給する第２の蓄電手段と、前記第１の蓄電手段と前記第２の蓄電手段との間に配置される電力変換手段とを備えている。

この構成とすることで、前記した、電動機１０２が駆動する際の電圧変動によって他の補機類の運転に支障をきたすことが無くなる。また、大電力の放電並びに回生、繰り返しの充放電に優れたキャパシタやコンデンサを第１の蓄電手段１０８へ採用し、第２の蓄電手段１１０へは大容量を安価で達成可能な鉛バッテリや大容量を軽量に達成することが可能なリチウムイオン２次電池などを採用することができる。加えて、第１の蓄電池の動作電圧を高めることで電動機１０２を高電圧駆動することが可能にない、過給手段１０１の応答性が向上する。さらには第１の蓄電手段が高電圧化することによってハーネス径を縮小しコスト低下を図ることが可能になる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態を図１を用いて説明する。

内燃機関１００は内燃機関１００へ導入する新気の量によって出力を制御している。また、過給手段１０１及び電動機１０２が正転及び逆転駆動されることで過給圧力が変化する。例えば、正転させることで過給圧を上昇させ、逆転させることで過給圧を減少させる。

ここで言う過給とは、内燃機関１００の吸気管圧力を過給手段１０１及び電動機１０２を用いて変化させることを示しており、したがって大気圧以下に減圧する意図も含んでいる。以下、実施の形態において特に断りの無い限りは、過給圧は大気圧以下に減圧される負圧となった状態も含む。

この過給圧力の変化は圧力センサ１０５によって検出可能な他、吸気経路に設けられた図示しない吸気質量流量検出手段によっても検出することができる。このような吸気質量検出手段にはホットワイヤを用いたエアフローメータやフラップ式、渦流式の流量計などを用いることができる。

過給圧力を変化させることで内燃機関１００へ導入する新気の量を調整することができる。例えば過給圧を高く設定すると内燃機関１００の筒内へは新気が圧縮されて導入されるためより多くの新気を取り込むこととなり、一方で過給圧を低く、場合によっては大気圧以下まで減圧することで内燃機関１００の筒内へ導入される新気は希薄となり、内燃機関１００へ導入される新気は減少する。

また、図示はしないが内燃機関１００の吸気弁リフトや吸気弁開時期、閉じ時期の変更を組み合わせることでも内燃機関へ導入される新気の量を調整できる。これら吸気弁リフトや吸気弁開時期、閉じ時期の変更による内燃機関１００への導入新気量の調整は従来公知の方法によりこれを達成できる。前記の動弁機構（吸気弁、排気弁リフト並びに吸気弁、排気弁の開時期、閉じ時期変更）に加えて、過給手段１０１並びに電動機１０２によって提供される過給圧の調整を組み合わせることで、より緻密な吸気制御が可能となる。

例えば、内燃機関１００が極低回転で駆動される場合などには、吸気行程中は過給圧を高めて吸気管内が負圧になる、又は負圧が小さくなるようにすることで内燃機関１００のポンプ損失が低下する。また、内燃機関１００の停止直前に過給圧を下げることで、内燃機関１００を再始動させる場合にデコンプレッション効果が期待できる。

また、過給手段の逆転駆動により内燃機関１００のポンプ損失を増大させることが出来る。これは内燃機関１００を利用した機関ブレーキを用いる際により強力な機関ブレーキを作用させられることを意味している。

このように過給手段１０１並びに電動機１０２を正転及び逆転駆動することで内燃機関１００の出力を制御することができる。この機能を提供するためには、過給手段１０１並びに電動機１０２は排気エネルギ回生手段１０６に独立して制御されることによって、この機能を提供できるようになる。

すなわち、排気エネルギ回生手段の動作状態に応じて動作状態が変化するような、排気エネルギ回生手段（例えばタービン）の駆動軸と過給手段１０１（例えばコンプレッサ）の駆動軸とが同一軸上に構成される機械式ターボチャージャでは、過給手段を逆転駆動できないためにこのような過給圧力制御による内燃機関の出力制御は困難であると言える。

また前記の場合に例えば比較例１として図３のような駆動軸上に正転逆転可能な電動機２０２を設ける構成とした場合には、少なくとも過給手段２０１の正転、逆転駆動による過給圧制御によって内燃機関２００の出力制御を提供可能であるが、以下に挙げる課題を生じる。

すなわち、過給手段２０１を電動機２０２によって正転逆転駆動した場合には、同時に排気タービン２０６も正転逆転駆動される。したがって、排気タービン２０６が逆転駆動される場合には背圧の上昇を招き、内燃機関２００のポンプ損失が増加することになる。これは背圧の上昇によって内燃機関２００の掃気行程において排気に対する押し出し仕事が生じることを意味しており、内燃機関２００の出力低下や燃費悪化を招いてしまう。

電動機２０２の逆転駆動中は電源２０８の電力を消費し、これを充電するために例えば内燃機関２００の出力軸２１３からベルトを使った巻き掛けや歯車を使った伝達機構により駆動される発電機２１４を駆動することになり、内燃機関２００の負荷が増加し、やはり内燃機関２００の出力低下や燃費悪化を招く。

したがって、第２の実施形態に示す構成とすることで、再び図１において、排気エネルギ回生手段１０６並びに発電機１０７に対して、過給手段１０１及び電動機１０２は独立に駆動することが可能であり、過給手段１０１の正転逆転に係わらず、排気エネルギ回生手段１０６は排気エネルギによって駆動され、発電機１０７を駆動することが出来る。これによって、排気エネルギ回生手段の逆転が無く余分な背圧の上昇を招くことなく、また、発電機１０７を駆動することが出来るために、前記した内燃機関２００の出力低下や燃費悪化を抑制して電動機１０２を継続して駆動することができる。

すなわち、第２の実施形態によれば、内燃機関１００へ導入される新気の圧力及び流量を主に過給手段１０１並びに電動機１０２の正転、逆転駆動によって制御可能であり、電動機１０２の駆動状態に係わらず排気エネルギ回生手段１０６を通じて発電機１０７による電力を第１の蓄電手段１０８を通じて電動機１０２へ供給可能にする。これによって過給手段による過給を継続する間であっても過給手段を駆動するための電力を効率的に得ることができ、電動機１０２を通じて過給手段１０１による過給を継続することが出来る。上記に加えて、主に電動機１０２へ電力を供給する第１の蓄電手段１０８と、主にコントローラ１１１や内燃機関１００の補機類１１２を駆動する第２の蓄電手段１１０とを分離することで、コントローラ１１１や補機類１１２を安定的に駆動し、また第１の蓄電手段１０８には大電力の放電並びに回生、繰り返しの充放電に優れたキャパシタやコンデンサを採用できる。これによって過給手段による過給を継続する間であっても過給手段を駆動するための電力を効率的に且つその他の電装品への影響が無く電動機１０２を通じて過給手段１０１による過給を継続することができる。

（第３の実施形態）
本実施形態では、上記した第２の実施形態に係る構成に加えて、回生手段の後段に熱電変換手段が設けられることを特徴とする。

本実施形態について、図４を用いて説明する。なお、この構成の説明において、上述した構成は、説明を省略する。内燃機関３００の排気経路に設けられた排気エネルギ回生手段３０６の後段には熱電変換手段３１７が設けられている。熱電変換手段３１７は内燃機関３００の燃焼ガスによって加熱され、図示しない冷却水との温度差によって電力を得る熱電変換素子である。このような熱電変換素子には、異なる金属の組み合わせや半導体を用いたゼーベック素子やランキンサイクルを利用したタービン発電機を採用することが出来る。

排気エネルギ回生手段３０６は主に内燃機関３００の排気エネルギのうち、排気の運動エネルギを利用して発電機３０７の駆動力を得る。熱電変換手段３１７は、排気エネルギ回生手段３０６で回収の出来なかった、内燃機関３００の排気の熱エネルギによって駆動される。熱電変換手段３１７は熱交換を行うために内部の流路構造が略直線流路的ではなく、排気流れは蛇行部や排気を低流速にするための広がりが設けられており、熱電変換手段３１７を通過した後の排気の運動エネルギは小さくなる。

したがって、排気エネルギ回生手段３０６の上流に熱電変換手段３１７を設けることは好適ではなく、本実施形態で示されるように、内燃機関の排気経路に配置された排気エネルギ回生手段の下流に、さらに、熱電変換手段を配置するとよい。

このようにすることで、電動機３０２並びに過給手段３０１が逆転駆動されて、排気の流量が低下した場合にあっても、排気エネルギ回生手段３０６によって駆動される発電機３０７の発生する電力に加えて、熱電変換手段３１７によって発電した電力を第１の蓄電手段３０８へ供給することができ、電動機３０２より安定的に継続駆動できる。

すなわち第１の蓄電手段３０８の枯渇を抑制しつつ、内燃機関３００の出力軸３１３より巻き掛けや歯車伝達機構で駆動される第３の発電機３１４の駆動機会の増加を抑制することが可能になり内燃機関３００の負荷を増大させることなく電動機３０２を通じて過給手段３０１を駆動できる。したがって電動機３０２を通じて過給手段３０１を効率的かつ継続的に駆動することが可能になる。

（第４の実施形態）
本実施形態では、上述した第２、第３の実施形態に示される構成に加えて、排気再循環経路を備えており、前記排気エネルギ回生手段によって駆動される発電機は界磁電流制御を行う発電機であり、前記電動機並びに過給手段が過給圧を大気圧以下に減ずるように制御されるときに界磁電流を増加させることを特徴とする。

本実施形態における基本的な構成は、上述した実施形態と同じである。

図５において、発電機４０７は界磁電流制御により発電電圧を制御可能である。発電機４０７を界磁電流制御することで、発電機４０７の発電特性は、排気エネルギ回生手段４０６の回転数（又は排気流量）一定を仮定した場合に図６に示す特性を得ることが出来る。他方、図７には界磁電流一定を仮定した場合に得られる発電機４０７の特性を示す。図６並びに図７に説明されるように、発電機４０７が界磁電流制御を可能とする場合に、界磁電流の多寡に応じて発電特性を変更することが出来る。

したがって、過給手段４０１並びに電動機４０２が吸気管圧を大気圧以下に減ずるように制御される場合にあっては界磁電流の増加を行うともに排気再循環経路４１８に設けられる制御弁４１９を開方向に制御する。

少なくとも電動機４０２が逆転駆動される状態であり、且つ吸気圧力センサ４０５より検出した吸気マニフォールド４０４内の圧力が大気圧未満である場合にあって、電動機４０２の出力と発電機４０７の発電出力とを比較し、電動機４０２の出力が発電機４０７の発電出力を上回る場合に、発電機４０７の界磁電流を増加方向へ制御する。

このようにすることで過給手段４０１並びに電動機４０２が過給圧を大気圧以下に減ずるように制御され、排気流量が減少して、排気エネルギ回生手段４０６の駆動力が低下し、発電機４０７の発電量が低下する場合にあっても、第４の実施形態によれば、界磁電流を増加することによって発電量を増加し、電動機４０２を継続的に駆動できる。

前記電動機が少なくとも逆転駆動される状態にあって、吸気マニフォールド４０４内が大気圧未満となる場合には内燃機関４００には大きなポンプ損失が生じている。

この場合において、排気再循環経路４１８を通じて排気を吸気側へ導入することで、相対的に新気の割合を下げ、吸気マニフォールド４０４内を大気圧未満にして吸気の密度を下げることと同じ効果を得ることができる。この場合にはより多くの排気を吸気へ再循環させるために背圧を高めることが効果的である。発電機４０７の界磁電流を増加して発電量を増やすことで、図８に示した関係に基づいて発電機４０７の発電トルクが増加する。

これに伴って排気エネルギ回生手段４０６の回転速度が低下して、背圧を高めることができ吸気マニフォールド４０４内の圧力に対して排気圧力を上昇させることができより多くの排気を再循環することで、電動機４０２の逆転駆動に必要な電力を抑制でき、電動機４０２を継続的に駆動できる。

（第５の実施形態）
本実施形態における基本的な構成は、第２、第３の実施形態に示したものと同じである。本実施形態は図９を用いて説明する。排気エネルギ回生手段５０６によって駆動される発電機５０７は永久磁石発電機であり、排気エネルギ回生手段５０６には排気エネルギ回生手段５０６の上流側と下流側をバイパスするバイパス経路５２０を備えており、前記バイパス経路には開度調整によって排気エネルギ回生手段５０６への排気流量を制御可能な開度調整機構５２１を備えており、発電機５０７の発生電圧に基づいて開度調整機構５２１を開方向へ制御することを特徴とする。

永久磁石発電機によって構成される発電機５０７の発電特性は図１０に示すとおりであり、回転数（排気流量）と発電電圧は比例関係にある。第１の蓄電手段５０８へ好適に充電を施すために、発電機５０７は比較的低速回転からでも第１の蓄電手段５０８へ充電を可能とする適当な起電力定数が設定される。このとき、発電機５０７の回転数の上昇に伴って、発電機５０７より発生する電圧は上昇するため、制限なく排気エネルギ回生手段の駆動力が高まることで第１の蓄電手段５０８の充電上限電圧を超過する恐れがある。この問題に鑑みて、第５の実施形態では、排気エネルギ回生手段の駆動力を制限可能な排気エネルギ回生手段５０６のバイパス経路５２０とバイパス経路５２０に設けられた開度調整機構５２１を備えている。

開度調整機構５２１の開度を開く側へ調整することで、排気エネルギ回生手段５０６をバイパスする排気流量が増加し、その結果排気エネルギ回生手段５０６の駆動力が制限されて、発電機５０７の回転上昇が抑制される。発電機５０７の回転数は図１０に示した関係から発電機５０７の発生電圧により求めることが可能であるため発電機５０７の発生電圧に基づいて開度調整機構５２１を制御することができる。

開度制御機構５２１を制御する発電機５０７の発生電圧は、第１の蓄電手段５０８の耐電圧のほか、排気エネルギ回生手段５０６の許容回転数から決定されていても良く、
どちらか小さい方の回転数（発生電圧）を採用することがより望ましい。

このようにすることで、発電機５０７に永久磁石発電機を採用した場合においても発電機５０７の発生電圧を制御することが可能となる。

（第６の実施形態）
本実施形態によれば、第３の実施形態に示した構成に加えて、内燃機関の背圧の計測又は推定手段を備えることを特徴とする。

本実施形態によって得られる効果を図１１を用いて説明する。図１１は背圧の計測手段として排気圧力センサ６２２を備えている。排気圧力センサ６２２は内燃機関６００の排気の集合部である排気マニフォールド６２３至る排気エネルギ回生手段６０６までの経路上に設けられる。図示しない触媒装置がこの経路上に設けられる場合には前記触媒装置の上流側（すなわち、排気マニフォールド６２３至る図示しない触媒装置の経路上）に設けられると好適である。

内燃機関６００の背圧が上昇することによって生じるエンジンポンプ損失の増加については先にも述べたが、排気エネルギ回生手段６０６を通じて駆動される発電機６０７の発電出力が増加するほど、排気エネルギ回生手段６０６の回転を停止させようとする逆トルクが増大する。その結果、排気の流れを阻害することになり発電機６０７の出力が増加するほど、内燃機関６００の背圧が上昇して内燃機関６００のポンプ損失が増大する。この結果内燃機関６００の出力低下や燃費悪化の恐れがあるため好ましくない。

そこで、本実施形態によれば、背圧の計測手段として排気圧力センサ６２２を備えている。排気圧力センサ６２２による排気圧力の計測結果又は、例えば前記過給手段６０１の過給圧力や吸気マニフォールド６０４内に設けられた吸気圧力センサ６０５や図示しない吸気の質量流量センサの計測結果に基づいて得られた新気の量から求めた排気流量に基づいて気体の状態方程式などから排気圧力を推定することによって得られた排気圧力によって、内燃機関６００のポンプ損失が増大すると判断される場合に発電機６０７の出力を低下させて背圧の上昇を抑制できる。

発電機６０７の出力制御が困難な場合には、排気エネルギ回生手段６０６の上流と下流をバイパスするバイパス経路６２０に設けられた開度調整機構６２１の開度を開く側へ調整することでも排気圧力の上昇を抑制できる。

しかしながら、発電機６０７の出力を低下させることや、開度調整機構５２１を開く側へ制御することは、第１の蓄電手段６０８の充電量を減少させることにつながり、その結果、第１の蓄電手段６０８が枯渇して電動機６０２の駆動、ひいては過給手段６０１による過給を行うことができず、電動機６０２を継続的に駆動することが出来ない。

したがって、第１の蓄電手段６０８に設けられた、状態監視センサ６１５によって得られる第１の蓄電手段６０８の充電状態を用いることで、第１の蓄電手段６０８の充電状態が充電側にある場合には電動機６０２を継続的に駆動できるため、前記した内燃機関６００の排気圧力が増大した際に、発電機６０７の発電出力低下や開度調整機構６２１を開方向へ制御することを許可する。一方で、電動機６０２を駆動して第１の蓄電手段６０８の電力を消費し、状態監視センサ６１５より得られた第１の蓄電手段６０８の充電状態が要充電側へ枯渇した際には、発電機６０７の発電出力低下や開度調整機構６２１を開方向セ制御することを禁止し、第１の蓄電手段６０８の充電状態が回復するまでこの禁止状態を継続することで、第１の蓄電手段６０８が枯渇することを抑制し、一方で第１の蓄電手段６０８の充電状態が充電側にあり、電動機６０２を十分に駆動できる余裕がある場合には、発電機６０７の発電出力や開度調整機構６２１を開方向へ制御することで内燃機関６００の背圧の上昇を抑制し、ひいては内燃機関６００のポンプ損失が減少して内燃機関６００の出力増加や燃費悪化を抑制できる。

（第７の実施形態）
本実施形態では、内燃機関の停止前に過給手段並びに電動機を逆転駆動することを特徴とする。

内燃機関の停止前に吸入空気量を削減し、次回始動時の圧縮行程において圧縮される空気を減らすことで内燃機関の始動時における振動の低減や、始動を容易にするいわゆるデコンプレッション機構の代替が期待できる。

したがって、本実施形態に示されるように、内燃機関の停止前に過給手段、並びに電動機を逆転駆動し、過給圧を低下させることで内燃機関の始動性良化や振動低減が期待できる。

上述した実施形態では、自動車用オットーサイクルの直列４気筒ガソリンエンジンを用いて説明しているが、内燃機関はこれに限られたものではない。内燃機関はディーゼルエンジンでもよく、また気筒数に制限が設けられるものでもない。さらにはピストンによる往復運動をクランク機構によって動力に変換するレシプロエンジンに限られたものでもなく、ヴァンケルエンジンであっても良い。

１００、２００、３００、４００、５００、６００・・・内燃機関
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１・・・過給手段
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２・・・電動機
１０３、２０３、３０３、４０３、５０３、６０３・・・スロットル弁
１０３、２０４、３０４、４０４、５０４、６０４・・・吸気マニフォールド
１０４、３０５、３０５、５０５、６０５・・・圧力センサ
１０５、２０６、３０６、４０６、５０６、６０６・・・排気エネルギ回生手段
１０６、３０７、４０７、５０７、６０７・・・発電機
１０８、２０８、３０８、３０８、４０８、５０８、６０８・・・第１の蓄電手段
１０９、３０９、６０９・・・電力変換手段
１１０、３１０、６１０・・・第２の蓄電手段
１１１・・・コントローラ
１１２、３１２、６１２・・・補機類
１１３、２１３、３１３、６１３・・・出力軸
１１４、２１４、３１４、６１４・・・第３の発電機
１１５、６１５
１１６、６１６・・・状態監視センサ
３１７、５１７、６１７・・・熱電変換手段
４１８・・・再循環経路
４１９・・・制御弁
５２０、６２０・・・バイパス経路
５２１、６２１・・・開度調整機構
６２２・・・排気マニフォールド
６２３・・・圧力センサ

Claims

排気経路に配置され、発電出力を制御可能な発電機を備える排気エネルギ回生手段と、内燃機関の吸気経路に配置され、電動機を備える過給手段とを備える電動回生過給機において、
前記電動機は前記発電機に対して独立に駆動し、正転及び逆転駆動可能に構成され、前記内燃機関の吸気圧力及び流量を調整するように制御され、
前記排気エネルギ回生手段と前記過給手段とに電気的に接続する第１の蓄電手段と、
前記第１の蓄電手段と接続され、電装品へ電力を供給する第２の蓄電手段と、
前記第１の蓄電手段と前記第２の蓄電手段との間に配置される電力変換手段とを備え、
前記第１の蓄電手段の蓄電状態と前記内燃機関の背圧とに基づいて、前記発電機の発電出力を制御することを特徴とする電動回生過給機。
請求項１に記載の電動回生過給機において、前記内燃機関の排気経路に配置された前記排気エネルギ回生手段の下流に、さらに熱電変換手段を配置することを特徴とする電動回生過給機。
請求項１又は２に記載の電動回生過給機において、前記排気エネルギ回生手段によって駆動される発電機は界磁電流制御を行う発電機であり、内燃機関は排気再循環経路を備えており、前記電動機及び過給手段が過給量を減ずるように制御される場合に、前記過給手段を駆動する電動機の出力と前記発電機の出力との大小関係に基づき、前記発電機の発電出力よりも前記電動機の出力が大きい場合に、界磁電流を増加させることを特徴とする電動回生過給機。
請求項１又は２に記載の電動回生過給機において、前記排気エネルギ回生手段によって駆動される発電機は永久磁石発電機であり、前記排気エネルギ回生手段には前記排気エネルギ回生手段の上流側と下流側をバイパスするバイパス経路を備えており、前記バイパス経路には開度調整によって前記排気エネルギ回生手段への排気流量を制御可能な開度調整機構を備え、前記発電機の発生電圧に基づいて前記開度調整機構を開方向へ制御することを特徴とする電動回生過給機。
請求項２に記載の電動回生過給機において、内燃機関の背圧の計測又は推定手段を備え、前記内燃機関の背圧の計測又は推定結果と前記第１の蓄電手段の充電状態に基づいて、前記発電機の出力を減少させることを特徴とする電動回生過給機。
請求項１乃至５のいずれかに記載の電動回生過給機において、内燃機関の停止直前に前記過給手段及び前記電動機の逆転駆動を行うことを特徴とする電動回生過給機。
請求項１乃至６のいずれかに記載の電動回生過給機において、前記第１の蓄電手段としてキャパシタまたはコンデンサが用いられることを特徴とする電動回生過給機。