WO2022196654A1 - ハイブリッドシステム - Google Patents

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WO2022196654A1
WO2022196654A1 PCT/JP2022/011433 JP2022011433W WO2022196654A1 WO 2022196654 A1 WO2022196654 A1 WO 2022196654A1 JP 2022011433 W JP2022011433 W JP 2022011433W WO 2022196654 A1 WO2022196654 A1 WO 2022196654A1
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hybrid system
intake
fuel
carbon monoxide
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義文 長島
英臣 川添
栄二 酒井
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いすゞ自動車株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/22—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs
    • B60K6/24—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the combustion engines
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • C01B3/24—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • F02B43/10—Engines or plants characterised by use of other specific gases, e.g. acetylene, oxyhydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/02—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with gaseous fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D21/00—Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas
    • F02D21/06—Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas peculiar to engines having other non-fuel gas added to combustion air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture

Definitions

  • the present disclosure relates to a hybrid system, and more particularly to a hybrid system having an engine fueled by natural gas and a motor driven by electric power as power sources.
  • Natural gas-fueled engines like gasoline engines, use a throttle valve to control output in the Otto cycle, which causes pumping loss at low loads, resulting in relatively poor efficiency and fuel efficiency.
  • this engine is hybridized by combining a motor driven by electric power generated by, for example, a fuel cell, the motor can be used when the load is low, so fuel efficiency can be improved.
  • natural gas which is the engine fuel
  • natural gas is sent to a reformer where hydrogen and carbon monoxide are produced.
  • the hydrogen produced is sent to the fuel cell as the substantial fuel for the fuel cell.
  • the present disclosure was created in view of such circumstances, and its purpose is to provide a hybrid system capable of supplying carbon monoxide produced in the reformer to the engine in an optimal manner.
  • a hybrid system comprising an engine fueled by natural gas and a motor driven by electric power as power sources, a turbocharger provided in the engine; a reformer for reforming natural gas to produce hydrogen and carbon monoxide; a gas passage for sending carbon monoxide produced by the reformer to an intake passage upstream of the turbocharger;
  • the hybrid system includes an injector that injects carbon monoxide sent through the gas passage into an intake passage on the upstream side of the turbocharger.
  • said hybrid system comprises: a detector that detects or estimates the intake flow rate of the engine; a control unit configured to control the injector according to the intake flow rate detected or estimated by the detector; Prepare.
  • said hybrid system comprises: A tank is provided in the gas passage and stores carbon monoxide.
  • carbon monoxide generated in the reformer can be supplied to the engine in an optimal manner.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the hybrid system of this embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the hybrid system of this embodiment.
  • the hybrid system includes an engine (internal combustion engine) 1 and a motor 50 as power sources.
  • the motor 50 is driven by electric power, for example by electric power generated by a fuel cell 51 .
  • Hybrid systems are installed in vehicles, especially large vehicles such as trucks. However, the application of the hybrid system is arbitrary, and it may be applied to moving bodies other than vehicles, such as ships, construction machines, or industrial machines. Also, the hybrid system may not be mounted on a moving body, and may be mounted on stationary equipment or the like.
  • the engine 1 is a multi-cylinder gas engine that uses natural gas, which is derived from CNG (Compressed Natural Gas) and whose main component is methane, as fuel. Therefore, the vehicle of this embodiment is a hybrid vehicle having the CNG engine 1 and the motor 50 .
  • the engine 1 is supplied with natural gas from a CNG tank 52 that stores CNG.
  • this natural gas is also referred to as gas fuel.
  • the engine 1 includes an engine body 2 and an intake passage 3 and an exhaust passage 4 connected to the engine body 2 .
  • the engine body 2 includes structural parts such as a cylinder head, a cylinder block 2A and a crankcase, and movable parts housed therein such as a piston 2B, a crankshaft 2C, an intake valve 2D and an exhaust valve 2E. Intake and exhaust flows are indicated by white and black arrows, respectively.
  • the intake passage 3 is provided with an air cleaner 12, a compressor 14C of the turbocharger 14, an intercooler 15, and an electronically controlled intake throttle valve 16 in this order from the upstream side.
  • An injector 7 for injecting gas fuel is provided at the intake port of each cylinder. Gas fuel is supplied to the injector 7 from a CNG tank 52 through the gas passage 8 .
  • the gas passage 8 is provided with a regulator 9 for reducing the pressure of the gaseous fuel sent from the CNG tank 52 .
  • Each cylinder is provided with a spark plug 6 for igniting the air-fuel mixture in the cylinder.
  • a turbine 14T of the turbocharger 14 and a three-way catalyst 22 are provided in the exhaust passage 4 in order from the upstream side.
  • a bypass passage 23 is provided to bypass the turbine 14T, and a wastegate valve 24 is provided in this.
  • the engine 1 also includes an EGR device 30.
  • EGR Exhaust Gas Recirculation
  • the EGR device 30 includes an EGR passage 31 for recirculating part of the exhaust gas (referred to as EGR gas) in the exhaust passage 4 into the intake passage 3, an EGR cooler 32 for cooling the EGR gas flowing through the EGR passage 31, an EGR and an EGR valve 33 for adjusting the gas flow rate.
  • gas fuel is supplied from the CNG tank 52 to the reformer 54 through another gas passage 53 connected to the gas passage 8 .
  • Another regulator 55 is provided in the gas passage 53 to reduce the pressure of the gaseous fuel sent from the CNG tank 52 .
  • the reformer 54 reforms the supplied gas fuel to produce hydrogen (H 2 ), which is the substantial fuel for the fuel cell 51, and carbon monoxide (CO), which is an exhaust component. As indicated by arrows in the figure, the produced hydrogen is sent to the fuel cell 51 through the gas passage 56 .
  • the fuel cell 51 uses this hydrogen to generate electricity. Electric power generated by the fuel cell 51 is supplied to the motor 50 after being controlled by the drive control device 57 . A driving force generated by the motor 50 is transmitted to the crankshaft 2C.
  • the carbon content contained in the natural gas is separated in advance by the reformer 54 in order to reduce the efficiency of the fuel cell 51. Since the CO produced by this separation is toxic, it cannot be discharged into the atmosphere as it is. Generally, this CO is released to the atmosphere after undergoing an oxidation reaction with air. However, in this embodiment, this CO is effectively used as part of the fuel for the engine 1 . This can increase the energy efficiency of the system.
  • the hybrid system of this embodiment includes a gas passage 58 that sends CO produced by the reformer 54 to the intake passage 3 on the upstream side of the turbocharger 14 (specifically, the compressor 14C).
  • the hybrid system of this embodiment also includes an injector 59 that injects CO sent through the gas passage 58 into the intake passage 3 on the upstream side of the turbocharger 14 .
  • the hybrid system of the present embodiment also includes a tank, that is, a CO tank 60, which is provided in the gas passage 58 and stores CO.
  • the hybrid system of this embodiment also includes a control unit, ie, an electronic control unit (ECU (Electronic Control Unit)) 100 for controlling the entire system.
  • the ECU 100 is configured to control each of the aforementioned devices, namely the injector 7, the spark plug 6, the intake throttle valve 16, the wastegate valve 24, the EGR valve 33, the drive controller 57 (and thus the motor 50), and the CO injector 59. It is
  • the hybrid system has the following sensors electrically connected to the ECU 100 to detect each state inside the system. That is, the hybrid system includes a rotation speed sensor 40 for detecting the engine rotation speed (specifically, the number of revolutions per minute (rpm)) Ne, and an accelerator opening sensor 41 for detecting the accelerator opening Ac. , a lambda sensor 42 for detecting the exhaust air excess ratio ⁇ at the inlet of the three-way catalyst 22, and an intake air temperature sensor 43 for detecting the temperature Ti and pressure Pi of the intake air downstream of the intake throttle valve 16. and an intake pressure sensor 44, a tank pressure sensor 45 for detecting the pressure Pt in the CNG tank 52, and a fuel temperature pressure sensor 46 for detecting the temperature Tf and pressure Pf of the gaseous fuel supplied to the injector 7.
  • the ECU 100 controls each device described above based on the outputs of these sensors.
  • the ECU 100 controls the opening of the intake throttle valve 16 based on the accelerator opening Ac detected by the accelerator opening sensor 41 . Specifically, the opening degree of the intake throttle valve 16 is controlled so that the opening degree of the intake throttle valve 16 increases as the accelerator opening degree Ac increases, that is, as the required load on the system increases.
  • the ECU 100 also controls the output of the motor 50 based on the detected accelerator opening Ac. Specifically, the output of the motor 50 is increased when the required load is a low load higher than the idle load (no load), and then the output of the motor 50 is decreased as the required load increases, such as medium load and high load. , the output of the motor 50 is controlled via the drive control device 57. As shown in FIG.
  • the motor 50 can be used to drive the vehicle when the load is low and the efficiency of the engine is not good, so the fuel consumption of the engine can be improved.
  • the ECU 100 detects the engine speed Ne, the intake air temperature Ti, and the intake pressure Pi detected by the rotation speed sensor 40, the intake air temperature sensor 43, and the intake air pressure sensor 44, respectively, according to a predetermined map (or a function; the same applies hereinafter). , to estimate the inspiratory flow rate Ga.
  • the intake flow rate Ga may be directly detected by an intake flow rate sensor provided in the intake passage 3 .
  • the ECU 100 also calculates the basic energization time ta of the injector 7 according to a predetermined map based on the detected and estimated engine speed Ne and intake flow rate Ga.
  • This basic energization time ta is a value corresponding to the basic value of the fuel injection amount injected from the injector 7 .
  • the ECU 100 also calculates the energization time tco of the CO injector 59 according to a predetermined map based on the detected and estimated engine speed Ne and intake flow rate Ga.
  • This energization time tco is a value corresponding to the CO injection amount injected from the CO injector 59 .
  • the energization time tco is made longer as the engine speed Ne is higher and as the intake flow rate Ga is higher.
  • the excess ratio ⁇ is preset to be equal to a predetermined target excess air ratio ⁇ t, specifically 1 corresponding to the theoretical air-fuel ratio.
  • the ECU 100 also feedback-controls the energization time of the injector 7 so that the actual excess air ratio ⁇ detected by the lambda sensor 42 approaches the target excess air ratio ⁇ t. This is called lambda feedback control.
  • the ECU 100 calculates a feedback correction amount tfb based on the difference between the actual excess air ratio ⁇ and the target excess air ratio ⁇ t, and adds it to the basic energization time ta to obtain the final energization time tf. Then, the injector 7 is energized (turned on) for the final energization time tf.
  • the excess air ratio is an index value representing the mixing ratio of fuel and air, and the air-fuel ratio may be used as such an index value instead of the excess air ratio.
  • the fuel injection amount of the injector 7 and the fuel injection amount of the CO injector 59 are controlled so that the actual excess air ratio ⁇ approaches the target excess air ratio ⁇ t.
  • the ignition timing of the spark plug 6 is also controlled in the same manner as the fuel injection amount of the injector 7.
  • the CO generated by the reformer 54 and originally discarded can be used as part of the fuel to drive the engine. Therefore, the CO can be effectively used to improve the fuel efficiency of the engine.
  • the CO produced by the reformer 54 can be sent through the gas passage 58 to the intake passage 3 on the upstream side of the compressor 14C. Therefore, the rotation of the compressor 14C can promote the mixing of CO and air. Further, although the pressure of CO discharged from the reformer 54 is low, the pressure in the intake passage 3 on the upstream side of the compressor 14C is also low. Therefore, the CO discharged from the reformer 54 can be sent to the intake passage 3 without any trouble. As described above, the CO produced in the reformer 54 can be supplied to the engine in an optimum manner.
  • the CO injector 59 can adjust the flow rate of CO supplied to the engine. Therefore, the amount of CO supplied can be optimized.
  • the CO injector 59 is controlled as described above according to the intake flow rate Ga. Therefore, the amount of CO supplied to the engine can be optimized according to the required load, and the amount of CO supplied can be optimally controlled so that the actual excess air ratio ⁇ approaches the target excess air ratio ⁇ t.
  • the CO tank 60 since the CO tank 60 is provided, the following advantages can be brought about. That is, when the engine is stopped or under low-load operation, the amount of fuel cell 51 used is large, and the amount of CO produced in reformer 54 (that is, the amount of CO supplied from reformer 54) is large. On the other hand, the amount of CO used in the engine (that is, the amount of CO demanded by the engine) is small. Therefore, the amount of CO produced becomes larger than the amount of CO used, resulting in a surplus of CO.
  • this surplus CO can be stored in the CO tank 60. Therefore, even if the supply and demand balance is lost, the surplus CO can be temporarily accumulated and saved until the time when it is needed later.
  • the amount of fuel cell 51 used is small, and the amount of CO produced in reformer 54 is small.
  • the amount of CO used in engines is large. As a result, the amount of CO produced becomes less than the amount of CO used, resulting in an insufficient amount of CO.
  • the CO accumulated in the CO tank 60 can be supplied to the engine to make up for the shortage of CO.
  • the required amount of CO demand on the engine side can be reliably met.
  • the CO tank 60 that can temporarily store the surplus CO is provided, even if the supply and demand balance is lost, it can be dealt with, and the necessary amount of CO can be stored in the entire operating range of the engine. of CO can be stably supplied.
  • the gas passage 58 and the CO injector 59 form the gas passage and the injector, respectively, as defined in the claims.
  • the intake pressure sensor 44 form the detector referred to in the claims.
  • the energizing time of the injector 7 may be further corrected based on the gas fuel temperature Tf and pressure Pf detected by the fuel temperature/pressure sensor 46 .
  • the energizing time of the CO injector 59 may be corrected based on the difference between the actual excess air ratio ⁇ and the target excess air ratio ⁇ t.
  • Another three-way catalyst may be additionally provided downstream of the three-way catalyst 22 .
  • Another lambda sensor may be provided on the outlet side of the three-way catalyst 22, and lambda feedback control may be performed also based on the detection value of this lambda sensor.
  • the gas fuel may be natural gas derived from LNG (Liquefied Natural Gas).
  • the hybrid system according to the present disclosure is useful in that it is possible to realize a specific structure that optimally supplies carbon monoxide produced by the reformer to the engine.
  • ECU electronice control unit

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Abstract

天然ガスを燃料とするエンジン１と、電力により駆動されるモータ５０とを動力源として備えるハイブリッドシステムは、エンジンに設けられたターボチャージャ１４と、天然ガスを改質して水素と一酸化炭素を生成する改質装置５４と、改質装置によって生成された一酸化炭素をターボチャージャの上流側の吸気通路３に送るガス通路５８とを備える。

Description

ハイブリッドシステム
　本開示はハイブリッドシステムに係り、特に、天然ガスを燃料とするエンジンと、電力により駆動されるモータとを動力源として備えるハイブリッドシステムに関する。
　天然ガスを燃料とするエンジンは、ガソリンエンジンと同様、オットーサイクルで出力制御にスロットルバルブを使用するため、低負荷でポンピングロスを生じ、効率および燃費が比較的良くない。一方このエンジンに、例えば燃料電池によって発電された電力により駆動されるモータを組み合わせてハイブリッド化すると、低負荷時にモータを使用できるため、燃費向上が可能となる。
日本国特開２００２－１０４８０４号公報
　このハイブリッドシステムにおいて、エンジンの燃料である天然ガスを燃料電池の燃料としても使用することが有利である。この場合、天然ガスは改質装置に送られ、改質装置では水素と一酸化炭素が生成される。生成された水素は、燃料電池の実質的な燃料として燃料電池に送られる。
　他方、一酸化炭素をエンジンの燃料の一部としてエンジンに供給し、一酸化炭素を有効利用することが考えられる。しかし、一酸化炭素をどのようにエンジンに供給するかについては、具体的な提案がなく、好適な方法が望まれる。
　そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、改質装置で生成された一酸化炭素を最適な方法でエンジンに供給できるハイブリッドシステムを提供することにある。
　本開示の一の態様によれば、
　天然ガスを燃料とするエンジンと、電力により駆動されるモータとを動力源として備えるハイブリッドシステムであって、
　前記エンジンに設けられたターボチャージャと、
　天然ガスを改質して水素と一酸化炭素を生成する改質装置と、
　前記改質装置によって生成された一酸化炭素を前記ターボチャージャの上流側の吸気通路に送るガス通路と、
　を備えたことを特徴とするハイブリッドシステムが提供される。
　好ましくは、前記ハイブリッドシステムは、前記ガス通路によって送られてきた一酸化炭素を前記ターボチャージャの上流側の吸気通路に噴射するインジェクタを備える。
　好ましくは、前記ハイブリッドシステムは、
　前記エンジンの吸気流量を検出または推定する検出器と、
　前記検出器により検出または推定された吸気流量に応じて前記インジェクタを制御するように構成された制御ユニットと、
　を備える。
　好ましくは、前記ハイブリッドシステムは、
　前記ガス通路に設けられ、一酸化炭素を貯留するタンクを備える。
　本開示によれば、改質装置で生成された一酸化炭素を最適な方法でエンジンに供給できる。
図１は、本実施形態のハイブリッドシステムを示す概略図である。
　以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。
　図１は、本実施形態のハイブリッドシステムを示す概略図である。ハイブリッドシステムは、動力源としてエンジン（内燃機関）１とモータ５０を備える。モータ５０は電力により駆動され、例えば燃料電池５１によって発電された電力により駆動される。ハイブリッドシステムは、車両、特にトラック等の大型車両に搭載される。但しハイブリッドシステムの用途は任意であり、車両以外の移動体、例えば船舶、建設機械、または産業機械に適用されるものであってもよい。またハイブリッドシステムは移動体に搭載されたものでなくてもよく、定置式の設備等に搭載されたものであってもよい。
　エンジン１は、ＣＮＧ（圧縮天然ガス：Compressed Natural Gas）に由来した、メタンを主成分とする天然ガスを燃料とする多気筒ガスエンジンである。よって本実施形態の車両はＣＮＧエンジン１とモータ５０を備えるハイブリッド自動車である。エンジン１には、ＣＮＧを貯留するＣＮＧタンク５２から天然ガスが供給される。以下、この天然ガスをガス燃料ともいう。
　エンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４とを備える。エンジン本体２は、シリンダヘッド、シリンダブロック２Ａ、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン２Ｂ、クランクシャフト２Ｃ、吸気バルブ２Ｄ、排気バルブ２Ｅ等の可動部品とを含む。吸気と排気の流れをそれぞれ白抜き矢印と黒塗り矢印で示す。
　吸気通路３には、上流側から順に、エアクリーナ１２、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃ、インタークーラ１５、および電子制御式の吸気スロットルバルブ１６が設けられる。また各気筒の吸気ポートに、ガス燃料を噴射するインジェクタ７が設けられる。このインジェクタ７には、ガス通路８を通じて、ＣＮＧタンク５２からガス燃料が供給される。ガス通路８には、ＣＮＧタンク５２から送られたガス燃料を減圧するレギュレータ９が設けられる。
　各気筒には、筒内の混合気に点火するための点火プラグ６が設けられる。
　排気通路４には、上流側から順に、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔと、三元触媒２２とが設けられる。タービン１４Ｔをバイパスするバイパス通路２３が設けられ、これにはウエストゲート弁２４が設けられる。
　エンジン１はＥＧＲ装置３０も備える。ここでＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）とは排気再循環の略称である。ＥＧＲ装置３０は、排気通路４内の排気の一部（ＥＧＲガスという）を吸気通路３内に還流させるためのＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２と、ＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁３３とを備える。
　一方、モータ５０の動力系統については、ガス通路８に接続された別のガス通路５３を通じて、ＣＮＧタンク５２から改質装置５４にガス燃料が供給される。ガス通路５３には、ＣＮＧタンク５２から送られたガス燃料を減圧する別のレギュレータ５５が設けられる。
　改質装置５４は、送られてきたガス燃料を改質し、燃料電池５１の実質的な燃料となる水素（Ｈ２）と、排気成分である一酸化炭素（ＣＯ）とを生成する。図中矢示するように、生成された水素は、ガス通路５６を通じて燃料電池５１に送られる。燃料電池５１はこの水素を使って発電を行う。燃料電池５１によって発電された電力は、駆動制御装置５７によって制御された後、モータ５０に供給される。モータ５０で発生した駆動力はクランクシャフト２Ｃに伝達される。
　天然ガスに含まれる炭素分は燃料電池５１の効率を低下させるため改質装置５４で予め分離される。この分離によって生じたＣＯは有毒であるため、そのまま大気中に放出することはできない、一般的にはこのＣＯは空気と酸化反応された後に大気解放される。しかし本実施形態では、このＣＯをエンジン１の燃料の一部として有効利用する。これによりシステムのエネルギ効率を高めることができる。
　本実施形態のハイブリッドシステムは、改質装置５４によって生成されたＣＯをターボチャージャ１４（具体的にはコンプレッサ１４Ｃ）の上流側の吸気通路３に送るガス通路５８を備える。
　また本実施形態のハイブリッドシステムは、ガス通路５８によって送られてきたＣＯをターボチャージャ１４の上流側の吸気通路３に噴射するインジェクタすなわちＣＯインジェクタ５９を備える。
　また本実施形態のハイブリッドシステムは、ガス通路５８に設けられＣＯを貯留するタンクすなわちＣＯタンク６０を備える。
　また本実施形態のハイブリッドシステムは、システム全体を制御するための制御ユニットすなわち電子制御ユニット（ＥＣＵ（Electronic Control Unit）という）１００を備える。ＥＣＵ１００は、前述の各デバイス、すなわちインジェクタ７、点火プラグ６、吸気スロットルバルブ１６、ウエストゲート弁２４、ＥＧＲ弁３３、駆動制御装置５７（ひいてはモータ５０）、およびＣＯインジェクタ５９を制御するように構成されている。
　ハイブリッドシステムは、システム内部の各状態を検出するため、ＥＣＵ１００に電気的に接続された以下のセンサを備える。すなわちハイブリッドシステムは、エンジンの回転速度（具体的には毎分当たりの回転数（ｒｐｍ））Ｎｅを検出するための回転速度センサ４０と、アクセル開度Ａｃを検出するためのアクセル開度センサ４１と、三元触媒２２の入口部における排気の空気過剰率λを検出するためのラムダセンサ４２と、吸気スロットルバルブ１６の下流側における吸気の温度Ｔｉおよび圧力Ｐｉを検出するための吸気温センサ４３および吸気圧センサ４４と、ＣＮＧタンク５２内の圧力Ｐｔを検出するためのタンク圧力センサ４５と、インジェクタ７に供給されるガス燃料の温度Ｔｆおよび圧力Ｐｆを検出するための燃料温度圧力センサ４６とを備える。ＥＣＵ１００は、これらセンサの出力に基づき前述の各デバイスを制御する。
　次に、システムの制御について説明する。
　ＥＣＵ１００は、アクセル開度センサ４１により検出されたアクセル開度Ａｃに基づき吸気スロットルバルブ１６の開度を制御する。具体的には、アクセル開度Ａｃが増大するほど、すなわちシステムへの要求負荷が高負荷になるほど、吸気スロットルバルブ１６の開度が増大するように吸気スロットルバルブ１６の開度を制御する。
　またＥＣＵ１００は、検出されたアクセル開度Ａｃに基づきモータ５０の出力を制御する。具体的には要求負荷が、アイドル負荷（無負荷）より高い低負荷のときモータ５０の出力を大きくし、そこから要求負荷が中負荷、高負荷というように高くなるほどモータ５０の出力を小さくするように、駆動制御装置５７を介してモータ５０の出力を制御する。
　このように、エンジンの効率が良くない低負荷のときにモータ５０を使って車両を駆動できるので、エンジンの燃費を向上できる。
　またＥＣＵ１００は、回転速度センサ４０、吸気温センサ４３および吸気圧センサ４４によりそれぞれ検出されたエンジン回転数Ｎｅ、吸気温Ｔｉおよび吸気圧Ｐｉに基づき、所定のマップ（関数でもよい。以下同様）に従って、吸気流量Ｇａを推定する。なお代替的に、吸気通路３に設けた吸気流量センサにより吸気流量Ｇａを直接的に検出してもよい。
　またＥＣＵ１００は、検出および推定されたエンジン回転数Ｎｅおよび吸気流量Ｇａに基づき、所定のマップに従って、インジェクタ７の基本通電時間ｔａを算出する。この基本通電時間ｔａは、インジェクタ７から噴射される燃料噴射量の基本値に相当する値である。基本通電時間ｔａは、エンジン回転数Ｎｅが高いほど、また吸気流量Ｇａが多いほど長くされる。
　またＥＣＵ１００は、検出および推定されたエンジン回転数Ｎｅおよび吸気流量Ｇａに基づき、所定のマップに従って、ＣＯインジェクタ５９の通電時間ｔｃｏを算出する。この通電時間ｔｃｏは、ＣＯインジェクタ５９から噴射されるＣＯ噴射量に相当する値である。通電時間ｔｃｏは、エンジン回転数Ｎｅが高いほど、また吸気流量Ｇａが多いほど長くされる。
　これら基本通電時間ｔａおよび通電時間ｔｃｏの値は、要求負荷が一定でエンジン１もモータ５０も定常運転されているときに（つまり車両が定常走行されているときに）、エンジン１の排気の空気過剰率λが所定の目標空気過剰率λｔ、具体的には理論空燃比相当の１に等しくなるよう、予め設定されている。
　またＥＣＵ１００は、ラムダセンサ４２により検出された実際の空気過剰率λが目標空気過剰率λｔに近づくよう、インジェクタ７の通電時間をフィードバック制御する。これをラムダフィードバック制御という。ＥＣＵ１００は、実際の空気過剰率λと目標空気過剰率λｔの差に基づいてフィードバック補正量ｔｆｂを算出し、これを基本通電時間ｔａに加算して最終通電時間ｔｆを求める。そしてこの最終通電時間ｔｆだけインジェクタ７を通電（オン）する。なお、空気過剰率は燃料と空気の混合割合を表す指標値であり、こうした指標値として、空気過剰率の代わりに空燃比を用いてもよい。
　こうして、実際の空気過剰率λが目標空気過剰率λｔに近づくよう、インジェクタ７の燃料噴射量とＣＯインジェクタ５９の燃料噴射量とが制御される。
　なお、点火プラグ６の点火時期も、インジェクタ７の燃料噴射量と同様の方法で制御される。
　次に、本実施形態の利点を説明する。
　本実施形態では、改質装置５４によって生成され本来廃棄されるＣＯを燃料の一部としてエンジンの駆動に使用できる。そのため、そのＣＯを有効に活用してエンジンの燃費を向上できる。
　また本実施形態では、改質装置５４によって生成されたＣＯを、ガス通路５８を通じて、コンプレッサ１４Ｃの上流側の吸気通路３に送ることができる。そのため、コンプレッサ１４Ｃの回転によってＣＯと空気の混合を促進できる。また、改質装置５４から排出されたＣＯの圧力は低いが、コンプレッサ１４Ｃの上流側の吸気通路３の圧力も低い。そのため、改質装置５４から排出されたＣＯを支障なく吸気通路３に送ることができる。以上により、改質装置５４で生成されたＣＯを最適な方法でエンジンに供給できる。
　また本実施形態では、ＣＯインジェクタ５９により、エンジンに供給されるＣＯの流量を調節できる。このためＣＯの供給量を最適化することができる。
　また本実施形態では、吸気流量Ｇａに応じてＣＯインジェクタ５９が上述のように制御される。そのため、エンジンへのＣＯ供給量を要求負荷に応じて最適化できると共に、実際の空気過剰率λが目標空気過剰率λｔに近づくようＣＯ供給量を最適に制御できる。
　また本実施形態では、ＣＯタンク６０を設けたため次の利点をもたらすことができる。すなわち、エンジンの停止時もしくは低負荷運転時には、燃料電池５１の使用量が多く、改質装置５４におけるＣＯの生成量（すなわち改質装置５４からのＣＯ供給量）は多くなる。その一方で、エンジンにおけるＣＯの使用量（すなわちエンジン側で必要なＣＯ需要量）は少ない。そのため、ＣＯ生成量がＣＯ使用量より多くなり、ＣＯが余剰の状態となる。
　本実施形態では、この余剰のＣＯをＣＯタンク６０に蓄えておくことができる。そのため、こうした需給バランスが崩れた場合にあっても、余剰のＣＯを一時的に蓄積し、後に必要な機会まで保存しておくことができる。
　他方、エンジンの中負荷もしくは高負荷運転時には、燃料電池５１の使用量が少なく、改質装置５４におけるＣＯの生成量は少なくなる。その一方で、エンジンにおけるＣＯの使用量は多い。そのため、ＣＯ生成量がＣＯ使用量より少なくなり、ＣＯが不足の状態となる。
　本実施形態では、この場合にＣＯタンク６０に蓄積しておいたＣＯをエンジンに供給し、ＣＯの不足分を補うことができる。これにより、エンジン側で必要なＣＯ需要量を確実に満たすことができる。
　このように本実施形態によれば、余剰ＣＯを一時的に貯留できるＣＯタンク６０を設けたので、需給バランスが崩れた場合でも、それに対処することができ、エンジンの全運転領域で必要な量のＣＯを安定供給できる。
　なお上記の説明から理解されるように、本実施形態ではガス通路５８およびＣＯインジェクタ５９が、特許請求の範囲にいうガス通路およびインジェクタをそれぞれ形成し、ＥＣＵ１００、回転速度センサ４０、吸気温センサ４３および吸気圧センサ４４が、特許請求の範囲にいう検出器を形成する。
　以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態および変形例は他にも様々考えられる。例えば、燃料温度圧力センサ４６により検出されたガス燃料の温度Ｔｆおよび圧力Ｐｆに基づいてインジェクタ７の通電時間をさらに補正してもよい。また、実際の空気過剰率λと目標空気過剰率λｔの差に基づいてＣＯインジェクタ５９の通電時間を補正してもよい。三元触媒２２の下流側に別の三元触媒を追加で設けてもよい。三元触媒２２の出口側に別のラムダセンサを設け、このラムダセンサの検出値にも基づいてラムダフィードバック制御を行ってもよい。ガス燃料は、ＬＮＧ（液化天然ガス：Liquefied Natural Gas）由来の天然ガスであってもよい。
　本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
　本出願は、2021年3月17日付で出願された日本国特許出願（特願2021-043820）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本開示に係るハイブリッドシステムによれば、改質装置で生成された一酸化炭素を最適な方法でエンジンに供給する具体的な構造を実現することができると言う点で有用である。
１　エンジン（内燃機関）
３　吸気通路
１４　ターボチャージャ
５０　モータ
５１　燃料電池
５４　改質装置
５８　ガス通路
５９　インジェクタ
６０　タンク
１００　電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (4)

  1. 　天然ガスを燃料とするエンジンと、電力により駆動されるモータとを動力源として備えるハイブリッドシステムであって、
    　前記エンジンに設けられたターボチャージャと、
    　天然ガスを改質して水素と一酸化炭素を生成する改質装置と、
    　前記改質装置によって生成された一酸化炭素を前記ターボチャージャの上流側の吸気通路に送るガス通路と、
    　を備えたことを特徴とするハイブリッドシステム。
  2. 　前記ガス通路によって送られてきた一酸化炭素を前記ターボチャージャの上流側の吸気通路に噴射するインジェクタを備える
    　請求項１に記載のハイブリッドシステム。
  3. 　前記エンジンの吸気流量を検出または推定する検出器と、
    　前記検出器により検出または推定された吸気流量に応じて前記インジェクタを制御するように構成された制御ユニットと、
    　を備える
    　請求項１または２に記載のハイブリッドシステム。
  4. 　前記ガス通路に設けられ、一酸化炭素を貯留するタンクを備える
    　請求項１～３の何れか一項にハイブリッドシステム。
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