WO2012120702A1 - ハイブリッド車両 - Google Patents

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WO2012120702A1
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motor
hybrid vehicle
output
generator
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PCT/JP2011/064703
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山崎　正弘
林　義正
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株式会社ワイ・ジー・ケー
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Definitions

  • the present invention relates to a technique for recovering engine exhaust energy in a hybrid vehicle.
  • the hybrid system using an engine and a motor includes a series type that uses only the power of the motor to drive the engine as a power generator, a parallel type that uses only the power of the engine and the motor or only one type of power, and these series types and Can be classified into series parallel type (split type) combined with parallel type.
  • JP2000-225871A In a vehicle equipped with such a hybrid system, JP2000-225871A, at the same time as the motor generator is driven from the wheel side during deceleration or downhill, converts the kinetic energy and positional energy of the vehicle into electrical energy and collects it at the same time. Further, it is described that the recovered electric energy is used to assist the engine at the time of acceleration and to travel only with the power of the motor at the time of low speed traveling.
  • the basis of the collected electric energy is work performed by the engine. That is, the recovered energy is electrical energy obtained from the net work of the engine.
  • thermal energy of the fuel supplied to the engine the proportion that is effectively used for power is 30 to 34% at the maximum.
  • the total energy is 35%.
  • the heat that is thrown away into the cooling system is 20-30%, and the rate of radiation emitted from the engine surface is about 5%.
  • An object of the present invention is to improve the overall thermal efficiency by recovering engine exhaust energy.
  • a hybrid vehicle that can run using an engine and a motor as a drive source, the exhaust turbine being rotationally driven by the exhaust of the engine, and the generator that generates electric power by being rotationally driven by the exhaust turbine
  • a hybrid vehicle is provided in which the motor is driven by the electric power generated by the generator.
  • the energy of the engine exhaust is recovered by the exhaust turbine, and the recovered energy is converted into electric power to drive the motor, so that the engine output can be reduced by the amount of motor drive.
  • the overall thermal efficiency of the entire vehicle can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the configuration of the hybrid vehicle according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a three-phase drive current output from the motor controller.
  • FIG. 3 is a diagram showing the flow of control signals and the flow of energy.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the thermal efficiency improvement effect.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the thermal efficiency improvement effect.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing the configuration of the hybrid vehicle according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing the configuration of the hybrid vehicle according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a configuration of a hybrid vehicle 100 in the present embodiment.
  • the hybrid vehicle 100 in this embodiment forms a driving force transmission path by arranging the engine 1, the motor 19, and the transmission 21 in this order, and can travel with at least one driving force of the engine 1 and the motor 19.
  • the engine 1 and the motor 19 are directly connected in the rotation direction and rotate at the same speed.
  • a clutch 20 is disposed on the output side of the motor 19. In the case of a vehicle equipped with a torque converter, a torque converter is provided instead of the clutch 20.
  • the motor 19 and the clutch 20 are accommodated in the bell housing 18.
  • a transmission 21 is provided on the output side of the clutch 20, and power is transmitted from the output side of the transmission 21 to the drive wheels via the universal joint 22 and the propeller shaft 23.
  • the rotor 28 of the motor 19 is directly connected to the crankshaft 30 of the engine 1, and the rear end of the crankshaft 30 is connected to the clutch 20.
  • the crankshaft 30, the rotor 28, and the clutch 20 may be fastened by bolts or the like, or may be splined.
  • the motor 19 is driven from the driving wheel via the clutch 20. Thereby, the motor 19 can be operated as the generator 3 (motor generator) in the coasting state in which power is transmitted from the drive wheels to the engine 1.
  • the hybrid vehicle 100 is driven to rotate by an exhaust turbine 8 that recovers exhaust energy of the engine 1, a speed reducer 4 that reduces and outputs the rotational speed of the exhaust turbine 8, and an output shaft of the speed reducer 4.
  • the generator 3 is provided.
  • Exhaust gas from the engine 1 flows into the exhaust turbine 8 through the exhaust manifold 2 and rotates the exhaust turbine 8 at high speed.
  • the rotation of the exhaust turbine 8 is transmitted to the speed reducer 4 through the coupling 5, and is decelerated to a rotational speed of 1/2 to 1/6 to drive the generator 3.
  • the coupling 5 is made of a material having low thermal conductivity, such as stainless steel or ceramic, for preventing heat transfer.
  • the generator 3 is rotated at a speed of, for example, about 20,000 rpm because the generator 3 has a higher power generation efficiency and contributes to downsizing.
  • the adapter 7 provided between the exhaust turbine 8 and the speed reducer 4 prevents heat transfer from the exhaust turbine 8 to the speed reducer 4.
  • the adapter 7 accommodates the coupling 5 therein and has a ventilation hole 6 for introducing air for cooling the coupling 5.
  • the hybrid vehicle 100 includes a battery 11, an inverter 10, a general controller 14, a motor controller 12, and an engine controller 15 in addition to the above configuration.
  • the battery 11 is a high-voltage battery or capacitor that stores the electric power generated by the generator 3 and supplies the electric power to the motor 19.
  • the inverter 10 converts the electric power generated by the generator 3 into a direct current of a predetermined voltage (for example, 200 V) and sends it to the motor 19 or the battery 11. Further, the inverter 10 can electrically adjust the load of the generator 3, and the increase in the rotational speed of the exhaust turbine 8 can be suppressed by increasing the power generation load.
  • a predetermined voltage for example, 200 V
  • the comprehensive controller 14 calculates the share ratio of the engine 1 and the motor 19 with respect to the required output based on the depression amount and depression speed of the accelerator pedal transmitted from the accelerator depression amount detection sensor 13.
  • the motor controller 12 controls the driving force of the motor 19 by adjusting the voltage and frequency of the power supplied from the battery 11 or the motor 19 based on a command from the general controller 14. As shown in FIG. 2, each phase current of the three-phase driving current output from the motor controller 12 is supplied to each coil (coil U, coil V, coil W) of the three-phase coil of the stator and rotated to the stator. Generate a magnetic field. A rotational torque is generated in the permanent magnet of the rotor 28 by this rotating magnetic field, and a driving force is output from the output shaft of the rotor 28.
  • the engine controller 15 electronically controls the opening of the throttle 26, the fuel injection amount (pulse width) of the injector 17, and the ignition timing based on the electric power stored in the vehicle battery 16 based on a command from the general controller 14. .
  • the vehicle battery 16 stores the power generated by the alternator 27 that is rotationally driven by the engine 1.
  • FIG. 3 shows a control signal flow and energy flow in the hybrid vehicle 100 system.
  • thin arrows indicate signals, and thick arrows indicate energy flows.
  • the exhaust energy of the engine 1 is recovered by the exhaust turbine 8 to drive the generator 3.
  • the electric power generated by the generator 3 is converted into a direct current having a predetermined voltage by the inverter 10, and the motor 19 is driven by controlling the voltage and frequency by the motor controller 12.
  • the electric power generated by the generator 3 is stored in the battery 11.
  • the driver's output (driving force) request is first transmitted to the accelerator pedal, and the accelerator pedal depression amount and depression speed are input to the general controller 14.
  • the integrated controller 14 determines the output sharing between the engine 1 and the motor 19 necessary to cover the driver's required output.
  • the state of charge of the battery 11 is higher than a predetermined high charge state (for example, 80%) (full charge or a state close to this), the power generated by the generator 3 is directly charged without charging the battery 11. It is supplied to the motor controller 12.
  • a predetermined high charge state for example, 80%
  • the engine controller 15 electronically controls the opening of the throttle 26, the fuel injection amount (pulse width) of the injector 17, and the ignition timing in order to realize the engine output determined by the general controller 14.
  • the motor 19 As long as the engine 1 is in an operating state, the motor 19 generates power by electric power that is always generated, so the sum of the power generated by the engine 1 and the motor 19 may be greater than the driver's required output.
  • the engine controller 15 throttles the intake air amount of the engine 1 by the throttle actuator 25 according to a signal from the general controller 14. When the intake air amount decreases, the pulse width applied to the injector 17 controlled by the engine controller 15 is automatically narrowed, and the amount of fuel injected into the intake manifold 2 decreases.
  • the throttle controller 26 and the throttle actuator 25 are not provided, so the engine controller 15 directly controls the fuel injection amount from the injection valve disposed in each cylinder.
  • the thermal efficiency improvement effect will be described with reference to FIG.
  • the heat account when the heat energy of the fuel is 100% is assumed as follows. Effective work of engine 1 ( ⁇ p) 30% Exhaust loss ( ⁇ e) 35% Cooling loss ( ⁇ c) 22% Other ( ⁇ 0) 13% ⁇ 0 is the sum of the loss due to radiation from the surface of the engine 1 and the mechanical loss.
  • the electrical energy ⁇ p ′ that can be regenerated from the exhaust loss ( ⁇ e) is represented by the following equation:
  • the feature of this embodiment is that the electric power that can be regenerated increases as the output of the engine 1 increases.
  • the output L for moving the vehicle requested by the driver is generated by Lp + 0.4Lp, that is, ⁇ p + ⁇ p ′ as shown in the equation (2).
  • the conventional engine output is a dotted line
  • the output of the power unit obtained by adding the output of the motor 19 by the regenerated electric power is as shown by a solid line. Since the conventional engine output A is B in this embodiment, a rotational speed C lower than A is sufficient to obtain the same output.
  • the fuel efficiency of the engine 1 itself at a thermal efficiency of 30% is about 280 g / kWh, assuming that the low calorific value of gasoline is 42600 kj / kg.
  • the driver's required output L can be covered by the sum of the outputs of the engine 1 and the motor 19, but the driver's required output L rapidly increases during sudden acceleration or sudden climbing. May be insufficient.
  • the output of the motor 19 is increased by adding the electrical energy stored in the battery 11 according to a command from the general controller 14.
  • the rotational speed of the exhaust turbine 8 can be detected from the AC frequency generated by the generator 3.
  • the output of the engine 1 is decreased while maintaining the output of the power plant constant, and the output sharing of the motor 19 is increased correspondingly to increase the electric load of the generator 3. Thereby, the same effect as the wastegate valve of the turbo engine 1 can be produced.
  • the work done by the piston is equal to the friction loss, and ⁇ p described above becomes zero.
  • the exhaust turbine 8 is also rotated to generate electric power, so that electric power can be obtained even during idling.
  • the energy of the exhaust of the engine 1 is recovered by the exhaust turbine 8, and the recovered energy is converted into electric power to drive the motor 19.
  • the output can be reduced, and the amount of fuel supplied to the engine 1 can be reduced to improve the overall thermal efficiency of the entire vehicle.
  • the output ratio of the engine 1 and the motor 19 is controlled based on the driver's required output, and when the sum of the outputs of the engine 1 and the motor 19 exceeds the driver's required output, the output of the engine 1 is reduced.
  • the output of the engine 1 is increased, so that the engine output can be assisted by the motor output while satisfying the driver's required output, and the output of the engine 1 is reduced.
  • the overall thermal efficiency of the vehicle can be improved.
  • the output of the engine 1 is assisted by the power generated at all times, and when a large output is required, such as during acceleration, the power from the battery 11 is used to perform power assist by the motor 19.
  • the energy discharged from the engine 1 can be efficiently recovered, the overall thermal efficiency can be improved, and the driver's required output can be more reliably generated.
  • the state of charge of the battery 11 is higher than a predetermined high state of charge, the electric power generated by the generator 3 is directly supplied to the motor 19 without going through the battery 11, so that deterioration due to overcharging of the battery 11 is prevented. Can be prevented.
  • the power generator 3 can be rotated at a rotational speed with good power generation efficiency.
  • the coupling 5 is interposed between the exhaust turbine 8 and the speed reducer 4, it is possible to prevent the heat of the exhaust turbine 8 from being transmitted to the speed reducer 4 and to prevent a slight shift of the rotating shaft. Can be absorbed.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing the configuration of the hybrid vehicle 200 in the present embodiment.
  • the present embodiment is different from the first embodiment in that the battery 11, the motor controller 12, and the general controller 14 are not provided.
  • the hybrid vehicle 200 in the present embodiment is a simple system in which the engine 1 and the motor 19 that operates with electric energy regenerated from exhaust energy are used as one power plant.
  • the electric power generated by the generator 3 is directly supplied to the motor 19 via the inverter 10.
  • the inverter 10 converts alternating current into direct current, and at the same time drives the motor 19 using all electric energy generated by the generator 3 as a three-phase rectangular wave current (three-phase drive current) as shown in FIG.
  • the driver's requested output is input to the engine controller 15 as the accelerator pedal depression amount and depression speed, and the engine controller 15 determines the opening degree of the throttle 26, the fuel injection amount (pulse width) of the injector 17 based on the requested output, and The ignition timing is electronically controlled.
  • the engine controller 15 determines the opening degree of the throttle 26, the fuel injection amount (pulse width) of the injector 17 based on the requested output, and
  • the ignition timing is electronically controlled.
  • the output of the engine 1 increases, the exhaust energy also increases. Accordingly, the amount of power generation increases and the output of the motor 19 also increases.
  • the sum of the outputs of the engine 1 and the motor 19 becomes equal to the driver's required output, but the driver does not know the share of the individual outputs, so that it is the same as a vehicle that runs on the engine 1 alone.
  • the driving feeling can be realized.
  • the system can be simplified and reduced in weight.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing the configuration of the hybrid vehicle 300 in the present embodiment.
  • the arrangement of the clutch 20 and the motor 19 is different from that of the first embodiment, and the motor 19 is arranged on the output side of the clutch 20.
  • the rotor 28 of the motor 19 is coupled to a drive shaft 29 that transmits power to the transmission 21 by a spline or the like.
  • the integrated controller 14 calculates the driver output request value from the accelerator pedal depression amount, determines the output sharing between the engine 1 and the motor 19, and determines the motor controller 12 and the engine controller 15. Send output control signal.
  • the motor controller 12 controls the power supplied to the motor 19, and the engine controller 15 controls the output performance of the engine 1.
  • the rotational speed of the exhaust turbine 8 is decelerated by the speed reducer 4 and transmitted to the generator 3.
  • the diameter of the exhaust turbine 8 is increased and the rotational speed is 20,000. If set to be about rpm, the speed reducer 4 can be omitted. In this case, the exhaust turbine 8 and the generator 3 are directly connected by the coupling 5 and can be driven at the same rotational speed.

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Abstract

　ハイブリッド車両は、エンジン及びモータを駆動源として走行可能であり、エンジンの排気によって回転駆動される排気タービンと、排気タービンによって回転駆動されることで発電する発電機と、を備える。モータは、発電機によって発電された電力によって駆動される。

Description

ハイブリッド車両
　本発明は、ハイブリッド車両においてエンジンの排気エネルギを回収する技術に関する。
　エンジン及びモータによるハイブリッドシステムは、エンジンを発電專用としてモータの動力のみによって走行するシリーズ型と、エンジン及びモータの動力を併用して又は一方の動力のみによって走行するパラレル型と、並びにこれらシリーズ型及びパラレル型を合わせたシリーズパラレル型（スプリット型）とに分類できる。
　このようなハイブリッドシステムを搭載する車両において、ＪＰ２０００－２２５８７１Ａには、減速時や降坂時にモータジェネレータが車輪側から駆動されることで車両の運動エネルギや位置エネルギを電気エネルギに変換し回収すると同時に、回収された電気エネルギを利用して加速時にはエンジンをアシストし、低速走行時にはモータの動力のみで走行することが記載されている。
　上記のようなハイブリッド車両では、回収される電気エネルギの基は、エンジンがした仕事である。すなわち、回収されるエネルギはエンジンの正味仕事から得られた電気エネルギである。
　エンジンに供給された燃料の有する熱エネルギのうち、有効に動力に使われる割合は最高でも３０～３４％である。一方、排気として捨てられるエネルギは熱エネルギ（Ｊ）と、圧力Ｐ（Ｐａ）と流量Ｖ（ｍ3）との積ＰＶ（Ｎｍ＝Ｊ）である動的エネルギとであり、この熱エネルギと動的エネルギとの合計は３５％にも達する。また、冷却系に捨てられる熱は２０～３０％、エンジン表面から放射される割合は５％程度である。
　ここで、排気の流量Ｖを単位時問当たりの流量（ｍ3／ｓ）とすると、圧力と流量との積ＰＶの単位はＪ／ｓ＝Ｗとなる。この排気が有するエネルギを仕事に変換する方法として、排気タービンで回転動力として回収し、この回転動力をギアを介してクランクシャフトに伝えることが考えられる。
　しかし、排気タービンとクランクシャフトとの回転速度差が大きいため、排気タービンの回転速度を減速して伝達する減速機構が複雑になり、その分フリクションの増加などによって動力の一部が無駄になる。結果として３％程度しかパワーアシスト効果を発揮することができない。
　本発明は、エンジンの排気エネルギを回収して総合熱効率を向上させることを目的とする。
　本発明のある態様によれば、エンジン及びモータを駆動源として走行可能なハイブリッド車両であって、エンジンの排気によって回転駆動される排気タービンと、排気タービンによって回転駆動されることで発電する発電機と、を備え、モータは、発電機によって発電された電力によって駆動される、ハイブリッド車両が提供される。
　上記の態様によれば、エンジンの排気が有するエネルギを排気タービンで回収し、回収されたエネルギを電力に変換してモータを駆動するので、モータの駆動分だけエンジンの出力を低下させることができ、車両全体としての総合熱効率を向上させることができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係るハイブリッド車両の構成を示す概略構成図である。 図２は、モータコントローラから出力される三相駆動電流を示す図である。 図３は、制御信号の流れ及びエネルギの流れを示す図である。 図４は、熱効率向上効果について説明するための図である。 図５は、熱効率向上効果について説明するための図である。 図６は、本発明の第２実施形態に係るハイブリッド車両の構成を示す概略構成図である。 図７は、本発明の第３実施形態に係るハイブリッド車両の構成を示す概略構成図である。
　以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
　初めに、第１実施形態について説明する。
　図１は、本実施形態におけるハイブリッド車両１００の構成を示す概略構成図である。本実施形態におけるハイブリッド車両１００は、エンジン１、モータ１９、及び変速機２１をこの順に配置して駆動力伝達経路を構成し、エンジン１及びモータ１９の少なくとも一方の駆動力によって走行可能である。
　エンジン１とモータ１９とは回転方向に直結状態であり同一速度で回転する。モータ１９の出力側にはクラッチ２０が配設される。トルクコンバータ搭載車両の場合には、クラッチ２０に代えてトルクコンバータが配設される。モータ１９及びクラッチ２０は、ベルハウジング１８内に収容される。クラッチ２０の出力側には変速機２１が設けられ、変速機２１の出力側からユニバーサルジョイント２２及びプロペラシャフト２３を介して駆動輪へと動力が伝達される。
　モータ１９のロータ２８は、エンジン１のクランクシャフト３０に直結されており、クランクシャフト３０の後端はクラッチ２０に連結されている。クランクシャフト３０とロータ２８及びクラッチ２０とは、ボルトなどによって締結してもよいし、スプライン結合してもよい。
　クランクシャフト３０とロータ２８とは直結されるので、変速機２１にはエンジン１及びモータ１９のトルクが同一回転速度で入力される。すなわち、エンジン１及びモータ１９のトルクの和が、変速機２１に入力されることになる。
　一方、コースティング時には駆動輪からクラッチ２０を介してモータ１９が駆動されることになる。これにより、駆動輪からエンジン１に動力が伝わるコースティング状態ではモータ１９を発電機３（モータジェネレータ）として作動させることができる。
　ハイブリッド車両１００は、上記構成に加えて、エンジン１の排気エネルギを回収する排気タービン８と、排気タービン８の回転速度を減速して出力する減速機４と、減速機４の出力軸によって回転駆動される発電機３と、を備える。
　エンジン１からの排気は、排気マニホールド２を通って排気タービン８に勢いよく流入し、排気タービン８を高速で回転させる。排気タービン８の回転は、カップリング５を介して減速機４へと伝達され、１／２～１／６の回転速度に減速して発電機３を駆動する。
　カップリング５は、伝熱防止のため、熱伝導率の小さい材質、例えばステンレスやセラミックなどから成る。発電機３は、高速回転させた方が発電効率がよく小型化に寄与するので、例えば、20,000ｒｐｍ程度で回転させる。
　排気タービン８と減速機４との間に設けられるアダプタ７は、排気タービン８から減速機４への伝熱を防止する。アダプタ７は、内部にカップリング５を収容し、カップリング５を冷却する空気を導入するための通風穴６を有する。
　さらに、ハイブリッド車両１００は、上記構成に加えて、バッテリ１１、インバータ１０、総合制御コントローラ１４、モータコントローラ１２、及びエンジンコントローラ１５を備える。
　バッテリ１１は、発電機３で発電された電力を蓄えるとともに、モータ１９に対して電力を供給する、高電圧用のバッテリ又はキャパシタである。
　インバータ１０は、発電機３で発電された電力を所定の電圧（例えば、２００Ｖ）の直流へと変換してモータ１９又はバッテリ１１へと送る。また、インバータ１０は発電機３の負荷を電気的に調整可能であり、発電負荷を大きくすることで排気タービン８の回転速度の上昇を抑制することができる。
　総合制御コントローラ１４は、アクセル踏込み量検出センサ１３から送信されるアクセルペダルの踏込量や踏込速度に基づいて、その要求出力に対するエンジン１及びモータ１９の分担比率を演算する。
　モータコントローラ１２は、総合制御コントローラ１４からの指令に基づいて、バッテリ１１又はモータ１９から供給される電力の電圧や周波数を調整し、モータ１９の駆動力を制御する。図２に示すように、モータコントローラ１２から出力される三相駆動電流の各相電流は、ステータの三相コイルの各コイル（コイルＵ、コイルＶ、コイルＷ）にそれぞれ供給され、ステータに回転磁界を生成する。この回転磁界によってロータ２８の永久磁石に回転トルクが発生し、ロータ２８の出力軸から駆動力が出力される。
　エンジンコントローラ１５は、総合制御コントローラ１４からの指令に基づいて、車両用バッテリ１６に蓄電された電力によってスロットル２６の開度、インジェクタ１７の燃料噴射量（パルス幅）、及び点火時期を電子制御する。車両用バッテリ１６は、エンジン１によって回転駆動されるオルタネータ２７の発電電力を蓄電する。
　図３は、ハイブリッド車両１００のシステムにおける制御信号の流れ及びエネルギの流れを示す。図３において、細い矢印は信号、太い矢印はエネルギの流れを示す。
　エンジン１の排気エネルギは排気タービン８によって回収されて発電機３を駆動する。発電機３で発電した電力は、インバータ１０で所定の電圧の直流に変換され、モータコントローラ１２で電圧や周波数が制御されてモータ１９が駆動される。あるいは、発電機３で発電した電力はバッテリ１１に蓄電される。
　モータコントローラ１２の出力電圧が高くなると、抵抗が一定であれば電流も電圧に比例して増大することになる。従って、電力は電圧の二乗に比例することになる。発電機３で発電された電力のうちバッテリ１１に蓄えられなかった分は、実質的に直接モータコントローラ１２で制御されてモータ１９に供給される。
　運転者の出力（駆動力）要求が最初に伝達されるのはアクセルペダルであり、アクセルペダルの踏込量や踏込速度が総合制御コントローラ１４に入力される。総合制御コントローラ１４は、運転者の要求出力を賄うのに必要な、エンジン１とモータ１９とのそれぞれの出力分担を決定する。
　ここで、バッテリ１１の充電状態が所定の高充電状態（例えば８０％）より高い状態（満充電またはこれに近い状態）では、発電機３で発電した電力はバッテリ１１に充電されることなく直接モータコントローラ１２に供給される。バッテリ１１の過充電を防ぐ簡便な方法として、例えばバッテリ１１の満充電時の電圧が２００Ｖの場合は、インバータ１０の出口側の電圧をこれとほぼ等しい２００～２０５Ｖにしておくことが考えられる。
　エンジンコントローラ１５は、総合制御コントローラ１４で決定されたエンジン出力を実現するため、スロットル２６の開度、インジェクタ１７の燃料噴射量（パルス幅）、及び点火時期を電子制御する。
　エンジン１が運転状態である限り常時発電される電力によってモータ１９が動力を発生させるので、エンジン１及びモータ１９で発生する動力の和が運転者の要求出力より大きくなる場合がある。この場合には、総合制御コントローラ１４からの信号によりエンジンコントローラ１５がスロットルアクチュエータ２５でエンジン１の吸入空気量を絞る。吸入空気量が減るとエンジンコントローラ１５で制御されるインジェクタ１７にかかるパルス幅が自動的に狭まり、吸気マニホールド２内に噴射される燃料の量が減少する。
　また、エンジン１がディーゼルエンジンの場合はスロットル２６及びスロットルアクチュエータ２５がないので、エンジンコントローラ１５は、各シリンダーに配設された噴射弁からの燃料噴射量を直接制御する。
　次に熱効率改善効果について図４を参照しながら説明する。燃料の有する熱エネルギを１００％とした場合の熱勘定を例えば次のように仮定する。
　エンジン１の有効仕事（αｐ）３０％
　排気損失（αｅ）３５％
　冷却損失（αｃ）２２％
　その他（α０）１３％
　α０は、エンジン１表面からの輻射による損失と機械損失との合計である。
　以下、本実施形態の熱効率向上効果をこれらの値を用いて算出する。
　排気損失（αｅ）から回生できる電気エネルギαｐ’は、排気タービン８の効率をηｔ、減速機４の減速ギアの機械効率をηｍ、発電機３及びインバータ１０の各効率の積をηｇとすると、回生できる電気エネルギαｐ’は、
　αｐ’＝αｅ×ηｔ×ηｍ×ηｇ　　・・・（１）
となる。
　ここで、ηｔ＝０．４、ηｍ＝０．９８、ηｇ＝０．９とすると、αｅ＝０．３５であるから回生される電気エネルギαｐ’は、０．３５×０．４×０．９８×０．９＝０．１２となる。これがエンジン１の効率に加算されるので、エンジン１から動力として取り出せるエネルギは、αｐ＋αｐ’＝０．３＋０．１２＝０．４２となる。
　従来はエンジン１に供給される燃料の有する熱エネルギが動力に変換される割合は０．３であったが、本実施形態によればモータ１９によって０．４２に増大する。これはαｐ＝０．３を基準にすると（αｐ＋αｐ’）／αｐ＝０．４２／０．３＝１．４、すなわち４０％の熱効率の向上になる。また、エンジン１の出力が大きくなるに従って、回生できる電力も増大するのが本実施形態の特徴である。
　αｐとαｅとが先述のような値の場合は、αｅ＝（０．３５／０．３）×αｐとなるが、運転条件によってこの比例定数（０．３５／０．３）が変化しても、必ずαｅとαｐ（出力）との間には関数関係が成立する。
　ここで、エンジン１に供給する燃料のエネルギが同じなら、エンジン出力はαｐに比例する。すなわち、Ｌｐ＝Ｋ×αｐ、ここでＬｐはエンジン出力、Ｋは比例定数である。また、前述のようにαｅとαｐとの間に関数関係が成立するので、（１）式からαｐ’もエンジン出力の関数となる。
　この場合、モータ１９が発生する出力は０．４Ｌｐとなるので、
　Ｌ＝Ｌｐ十０．４Ｌｐ　　・・・（２）
　運転者が要求する車両を動かす出力Ｌは、（２）式のようにＬｐ＋０．４Ｌｐ、すなわちαｐ＋αｐ’で発生させることになる。
　これにより、エンジン１の出力はＬｐ／（Ｌｐ＋０．４Ｌｐ）＝１／１．４＝０．７１で足りることになる。図５に示すように、従来のエンジン出力が点線の場合、これに回生した電力によるモータ１９の出力を加えたパワーユニットの出力は実線のようになる。従来のエンジン出力Ａは本実施形態ではＢになるので、同じ出力を得るにはＡより低い回転速度Ｃでよいことになる。
　次に燃費率（ＢＳＦＣ）の改善効果について説明する。
　熱効率が３０％におけるエンジン１自身の燃費率は、ガソリンの低発熱量を４２６００ｋｊ／ｋｇとすると、約２８０ｇ／ｋＷｈである。エンジン１とモータ１９との出力の和はエンジン１単体に対して１．４倍となっているが、消費する燃料の質量は２８０ｇで変わらない。エンジン１及びモータ１９の出力の和はエンジン１単体の出力の１．４倍となっているので、これで消費燃料の質量を除した総合ＢＳＦＣは２８０／１．４＝２００ｇ／ｋＷｈとなる。燃費率は（２８０－２００）／２８０＝０．２８６すなわち約２９％改善される。
　通常の運転状態では運転者の要求出力Ｌはエンジン１及びモータ１９の出力の和で賄うことが可能であるが、急加速や急な登坂時には運転者の要求出力Ｌが急増するので、駆動出力が不足する場合がある。この場合には、総合制御コントローラ１４からの指令でバッテリ１１に蓄えられている電気エネルギを加えてモータ１９の出力を増大させる。
　モータ１９による出力増大であるため、従来のターボ車のようにターボラグが発生したり、衝撃的なトルク変化が発生したりすることが無く運転性が改善される。なお、この場合にはバッテリ１１からの電力が加わるので、αｐ’をαｐより大きくすることも可能である。
　バッテリ１１に電力が十分に蓄えられていて、それ以上充電できない場合（充電状態が所定の高充電状態より高い場合）はエンジン１の出力分担を減らして、モータ１９の出力を増大させて電力を消費する。
　また、発電機３で発電された交流の周波数から排気タービン８の回転速度を検知することができる。排気タービン８が過回転の場合には、パワープラントとしての出力を一定に維持しながら、エンジン１の出力を減らし、その分モータ１９の出力分担を増やして発電機３の電気負荷を増大させる。これにより、ターボエンジン１のウエストゲートバルブと同じ作用を生じさせることができる。
　アイドリング時は、ピストンがした仕事が摩擦損失に等しくなっており、前述のαｐは０となる。しかし、エンジン１が回転している限り排気タービン８も回転し発電されるので、アイドリング時にも電力を得ることができる。
　これにより、モータ１９でエンジン１の回転をアシストし、所定のアイドル回転速度を確保しながら燃料を節減することができる。また、モータ１９でアイドル回転をアシストするので、回転変動が減少しスムーズなアイドリングが得られ、アイドリング回転速度を低下させることが可能になる。
　以上のように本実施形態では、エンジン１の排気が有するエネルギを排気タービン８で回収し、回収されたエネルギを電力に変換してモータ１９を駆動するので、モータ１９の駆動分だけエンジン１の出力を低下させることができ、エンジン１に供給される燃料の量を低減して車両全体としての総合熱効率を向上させることができる。
　従って、その分エンジン１の排気量を減らしたり、パワーが小さくなるリーンバーンエンジン１車の運転性を改善したりすることが可能となる。
　また、運転者の要求出力に基づいてエンジン１及びモータ１９の出力の割合を制御し、エンジン１及びモータ１９の出力の和が運転者の要求出力を超える場合にはエンジン１の出力を低下させ、出力の和が要求出力に対して不足する場合にはエンジン１の出力を増大させるので、運転者の要求出力を満たしながらエンジン出力をモータ出力によってアシストすることができ、エンジン１の出力を低下させて車両の総合熱効率を向上させることができる。
　さらに、通常の運転時には常時発電される電力でエンジン１の出力をアシストし、加速時など大きな出力が要求される場合には、バッテリ１１からの電力を利用してモータ１９によるパワーアシストを行うので、エンジン１から排出されるエネルギを効率よく回収することができ、総合熱効率を向上させるとともに、運転者の要求出力をより確実に発生させることができる。
　さらに、バッテリ１１の充電状態が所定の高充電状態より高い場合には、発電機３によって発電された電力をバッテリ１１を介することなくモータ１９に直接供給するので、バッテリ１１の過充電による劣化を防止することができる。
　さらに、減速機４によって排気タービン８の回転速度を減速して発電機３へと伝達するので、発電機３を発電効率のよい回転速度で回転させることができる。
　さらに、排気タービン８と減速機４との間にはカップリング５を介装するので、排気タービン８の熱が減速機４へと伝達されることを防止できるとともに、回転軸の微小なずれを吸収することができる。
　次に、第２実施形態について説明する。
　図６は、本実施形態におけるハイブリッド車両２００の構成を示す概略構成図である。本実施形態では、バッテリ１１、モータコントローラ１２、及び総合制御コントローラ１４を備えていない点が第１実施形態と異なる。
　本実施形態におけるハイブリッド車両２００は、エンジン１と排気エネルギから回生した電気エネルギで作動するモータ１９とを一つのパワープラントとした簡易なシステムである。発電機３で発電した電力はインバータ１０を経由して直接モータ１９に供給される。インバータ１０は、交流を直流に変換すると同時に、発電機３によって発電された全電気エネルギを図２のような三相の矩形波電流（三相駆動電流）としてモータ１９を駆動する。
　したがって、常に排気エネルギから回生した電力のみでモータ１９を駆動するので、図４で説明したように、モータ１９の出力は常にエンジン１の出力に比べて小さい。
　運転者の要求出力はアクセルペダルの踏込量や踏込速度としてエンジンコントローラ１５に入力され、エンジンコントローラ１５は要求出力に基づいて、スロットル２６の開度、インジェクタ１７の燃料噴射量（パルス幅）、及び点火時期を電子制御する。エンジン１の出力が大きくなると排気エネルギも大きくなるため、これに伴って発電量が増えモータ１９の出力も増大する。
　第１実施形態と同様に、エンジン１及びモータ１９の出力の和が運転者の要求出力と等しくなるが、運転者には個々の出力分担は分からないので、エンジン１だけで走行する車両と同様の走行感覚を実現することができる。
　また、バッテリ１１、モータコントローラ１２、及び総合制御コントローラ１４が不要であるので、システムを簡素化して軽量化することができる。
　次に、第３実施形態について説明する。
　図７は、本実施形態におけるハイブリッド車両３００の構成を示す概略構成図である。本実施形態では、クラッチ２０及びモータ１９の配置が第１実施形態と異なり、クラッチ２０の出力側にモータ１９が配設される。モータ１９のロータ２８は変速機２１に動力を伝えるドライブシャフト２９にスプラインなどで結合される。
　これにより、クラッチ２０を切った状態でモータ１９に通電すれば電気動力だけで走行（ＥＶ走行）することが可能である。また、クラッチ２０の代わりにトルクコンバータが搭載される車両においては、コースティング時に駆動輪からトルクコンバータの滑りの影響を受けることなく直接運動エネルギを回生することができる。
　第１実施形態と同様に、総合制御コントローラ１４は、アクセルペダルの踏み込み量からドライバの出力要求値を演算して、エンジン１とモータ１９との出力分担を決め、モータコントローラ１２及びエンジンコントローラ１５に出力制御信号を送る。モータコントローラ１２はモータ１９に供給する電力を制御し、エンジンコントローラ１５はエンジン１の出力性能を制御する。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例を示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
　例えば、上記第１～第３実施形態では、排気タービン８の回転速度を減速機４によって減速して発電機３へと伝達しているが、排気タービン８の径を大きくし、回転速度が20,000ｒｐｍ程度になるように設定すれば、減速機４を省略することができる。この場合には、排気タービン８と発電機３とがカップリング５で直接連結され、同一の回転速度で駆動することができる。
　本願は日本国特許庁に２０１１年３月９日に出願された特願２０１１－５１５４３号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (9)

  1. 　エンジン及びモータを駆動源として走行可能なハイブリッド車両であって、
    　前記エンジンの排気によって回転駆動される排気タービンと、
    　前記排気タービンによって回転駆動されることで発電する発電機と、
    を備え、
    　前記モータは、前記発電機によって発電された電力によって駆動される、
    ハイブリッド車両。
  2. 　請求項１に記載のハイブリッド車両であって、
    　前記車両の要求出力に基づいて、前記エンジンと前記モータとの出力割合を制御する出力制御部を備える、
    ハイブリッド車両。
  3. 　請求項２に記載のハイブリッド車両であって、
    　前記出力制御部は、前記エンジン及び前記モータの出力の和が前記要求出力を超える場合には前記エンジンの出力を低下させ、前記出力の和が前記要求出力に対して不足する場合には前記エンジンの出力を増大させる、
    ハイブリッド車両。
  4. 　請求項１に記載のハイブリッド車両であって、
    　前記発電機によって発電された電力を蓄電するバッテリをさらに備え、
    　前記モータは、前記バッテリに蓄電された電力によって駆動される、
    ハイブリッド車両。
  5. 　請求項４に記載のハイブリッド車両であって、
    　前記出力制御部は、前記エンジンの出力を増大させても前記出力の和が前記要求出力に対して不足する場合には、前記バッテリに蓄電された電力を前記モータに供給する、
    ハイブリッド車両。
  6. 　請求項４に記載のハイブリッド車両であって、
    　前記バッテリの充電状態が所定の高充電状態より高い場合には、前記発電機によって発電された電力は前記バッテリを介することなく前記モータに直接供給される、
    ハイブリッド車両。
  7. 　請求項１に記載のハイブリッド車両であって、
    　前記排気タービンの回転速度を減速して前記発電機へと伝達する減速機をさらに備える、
    ハイブリッド車両。
  8. 　請求項７に記載のハイブリッド車両であって、
    　前記排気タービンと前記減速機との間に介装されるカップリングをさらに備える、
    ハイブリッド車両。
  9. 　請求項１に記載のハイブリッド車両であって、
    　前記モータは、力行及び回生可能なモータジェネレータである、
    ハイブリッド車両。
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