(57)【要約】  この発明は、アイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムの双方を同時に搭載し、小型軽量安価で燃費の良い車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムを得る。  この発明では、発電電動機および超高速回転機の３相電力端子がそれぞれ大電流配線１６を介してインバータ１５に接続されている。そして、電力方向切換スイッチ１７が大電流配線１６の経路中に配設され、インバータ１５の接続を発電電動機側又は超高速回転機側に切り換える。
2008059681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に連結され、上記内燃機関の始動時は始動電動機として動作して上記内燃機関を始動させ、上記内燃機関の始動後は上記内燃機関により駆動されて３相交流電力を発生する発電電動機と、
直流負荷および始動時の電源となるバッテリと、
上記内燃機関の吸気系統に配設されて吸気ガスを圧縮するコンプレッサ、該コンプレッサの回転軸に同軸に取り付けられ、上記内燃機関の排気系統に配設されて排気ガスにより駆動されるタービン、および上記回転軸に同軸に取り付けられた回転機を有するターボチャージャと、
上記発電電動機の３相電力端子および上記回転機の３相電力端子に配線を介して接続され、上記発電電動機側に接続されている場合には、上記発電電動機で発生した上記３相交流電力を直流電力に変換して上記バッテリに供給し、上記回転機側に接続されている場合には、上記バッテリの直流電力を３相交流電力に変換して上記回転機に供給するインバータと、
上記配線の経路中に配設され、上記インバータの接続を上記発電電動機側又は上記回転機側に切り換える電力方向切換スイッチと、
を備えていることを特徴とする車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【請求項２】
内燃機関に連結され、上記内燃機関の始動時は始動電動機として動作して上記内燃機関を始動させ、上記内燃機関の始動後は上記内燃機関により駆動されて３相交流電力を発生する発電電動機と、
直流負荷および始動時の電源となるバッテリと、
上記内燃機関の吸気系統に配設されて吸気ガスを圧縮するコンプレッサ、該コンプレッサの回転軸に同軸に取り付けられ、上記内燃機関の排気系統に配設されて排気ガスにより駆動されるタービン、および上記回転軸に同軸に取り付けられた回転機を有するターボチャージャと、
上記発電電動機の３相電力端子および上記回転機の３相電力端子に配線を介して接続され、上記発電電動機側に接続されている場合には、上記バッテリの直流電力を３相交流電力に変換して上記発電電動機に供給し、上記回転機側に接続されている場合には、上記バッテリの直流電力を３相交流電力に変換して上記回転機に供給するインバータと、
上記発電電動機の上記３相電力端子と上記バッテリとの間に上記インバータと並列に接続され、上記発電電動機で発生した上記３相交流電力を直流電力に変換して上記バッテリに供給する３相ダイオードブリッジからなる整流回路と、
上記配線の経路中に配設され、上記インバータの接続を上記発電電動機側又は上記回転機側に切り換える電力方向切換スイッチと、
を備えていることを特徴とする車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【請求項３】
上記発電電動機および上記回転機は、回転子又は固定子に設けた界磁コイルに通電することにより上記回転子に主磁束を発生させる界磁制御式の回転電機であり、上記電力方向切換スイッチの切換動作時には、上記インバータのスイッチング動作が停止され、かつ上記界磁コイルへの電力の供給が停止されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【請求項４】
上記インバータが、上記発電電動機に近接して、あるいは上記発電電動機に一体に配設され、上記発電電動機が、上記内燃機関の側面に、上記インバータを上記回転機に近接させて配設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【請求項５】
車両の内燃機関に連結され、アイドリング待機時には電動機として動作して上記内燃機関をアシストし、アイドリング待機解除後には上記内燃機関により駆動されて３相交流電力を発生する発電電動機と、
直流負荷および始動時の電源となるバッテリと、
上記内燃機関の吸気系統に配設されて吸気ガスを圧縮するコンプレッサ、該コンプレッサの回転軸に同軸に取り付けられ、上記内燃機関の排気系統に配設されて排気ガスにより駆動されるタービン、および上記回転軸に同軸に取り付けられた回転機を有するターボチャージャと、
上記発電電動機の３相電力端子および上記回転機の３相電力端子に配線を介して接続され、上記発電電動機側に接続されている場合には、上記発電電動機で発生した上記３相交流電力を直流電力に変換して上記バッテリに供給し、上記回転機側に接続されている場合には、上記バッテリの直流電力を３相交流電力に変換して上記回転機に供給するインバータと、
上記配線の経路中に配設され、上記インバータの接続を上記発電電動機側又は上記回転機側に切り換える電力方向切換スイッチと、
を備えていることを特徴とする車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【請求項６】
車両の内燃機関に連結され、アイドリング待機時には電動機として動作して上記内燃機関をアシストし、アイドリング待機解除後には上記内燃機関により駆動されて３相交流電力を発生する発電電動機と、
直流負荷および始動時の電源となるバッテリと、
上記内燃機関の吸気系統に配設されて吸気ガスを圧縮するコンプレッサ、該コンプレッサの回転軸に同軸に取り付けられ、上記内燃機関の排気系統に配設されて排気ガスにより駆動されるタービン、および上記回転軸に同軸に取り付けられた回転機を有するターボチャージャと、
上記発電電動機の３相電力端子および上記回転機の３相電力端子に配線を介して接続され、上記発電電動機側に接続されている場合には、上記バッテリの直流電力を３相交流電力に変換して上記発電電動機に供給し、上記回転機側に接続されている場合には、上記バッテリの直流電力を３相交流電力に変換して上記回転機に供給するインバータと、
上記発電電動機の上記３相電力端子と上記バッテリとの間に上記インバータと並列に接続され、上記発電電動機で発生した上記３相交流電力を直流電力に変換して上記バッテリに供給する３相ダイオードブリッジからなる整流回路と、
上記配線の経路中に配設され、上記インバータの接続を上記発電電動機側又は上記回転機側に切り換える電力方向切換スイッチと、
を備えていることを特徴とする車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【請求項７】
上記車両がオートマチックトランスミッション車であり、
オートマチックトランスミッションのポジションがパーキング又はニュートラルである時に、アイドリング待機状態と判断することを特徴とする請求項５又は請求項６記載の車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【請求項８】
上記車両がオートマチックトランスミッション車であり、
オートマチックトランスミッションのポジションがパーキングからリバースを経てニュートラルに移行したときに、アイドリング待機状態と判断することを特徴とする請求項５又は請求項６記載の車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【請求項９】
上記車両がマニュアルトランスミッション車であり、
シフトレバーのポジションがニュートラルであり、かつサイドブレーキがかけられている時に、アイドリング待機状態と判断することを特徴とする請求項５又は請求項６記載の車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電動機により駆動されるターボチャージャと発電電動機を利用したアイドリングストップシステムの双方を有する車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両の走行時には、ベルトを介して伝達されるエンジンの回転トルクによりオルタネータを駆動して電力を発生させ、停車時には、オルタネータに駆動電力を供給してモータとして動作させてエンジンを再始動させるアイドリングストップシステムが提案されていた（例えば、特許文献１参照）。
また、超高速回転機（モータ）と排気ガスで駆動されるタービンとを、吸気ガスを圧縮するコンプレッサと同軸に配置して、エンジンの吸入空気をターボチャージャで圧縮して高出力を得ようとする場合におけるターボの低速回転域での過給圧の立ち後れを解決した電動ターボシステムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３２８６９０号公報
【特許文献２】特表２００５−５００４５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、アイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムは、ともに内燃機関の燃費向上および小型化という点で効果が期待できるが、一部の車両に搭載されるに留まり、広く普及するに至っていない。つまり、アイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムを車両に搭載するには、モータおよびインバータを車両用の狭いエンジンルーム内に配置する必要があり、スペースおよびコストの問題があった。【０００５】
特に、自動車においては、１２Ｖの低圧バッテリを利用するのであるが、アイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムの双方とも、瞬時の利用が主ではあるが、所定の性能を得るためには、瞬間最大で３〜４ＫＶＡ程度の電力が要求される。そのため、インバータおよび配線の電流量も、３００Ａクラスの大電流となる。
特に、アイドリングストップシステムは、３００Ａクラスのインバータは大型化してしまい、高コストであるわりに、その利用される総時間はアイドリングからの再始動の瞬間に限られるため、車両の生涯寿命数万時間に対してその稼働率が極めて低く、コストメリットが少ないという課題もあった。【０００６】
また、アイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムの双方とも、このような３００Ａクラスの大電流が必要なので、配線による電圧降下も無視できず、十分な電力を確保しようとすると、配線断面積が大きくなることから、配線の配置スペースも問題となってしまう。
一方で、近年熱効率の高さから、ディーゼルエンジンを搭載した車両が増加しつつあるが、さらなる燃費向上に向けてターボチャージャは大型化し、かつアイドリングも停止するなど、徹底した燃費追求が求められている。【０００７】
従い、アイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムの双方を搭載することが求められているが、上記従来例の単なる組み合わせでは、上述のように、アイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムの双方に対して大電流インバータ、およびバッテリと各インバータの配線ケーブルの配置スペースが必要となり、車載性や重量、コストなどの点でアイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムの双方の搭載は現実的に困難となる。【０００８】
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、アイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムの双方を同時に搭載するための設置スペースの省スペース化を図るとともに、装置間の配線を簡素化して、小型軽量安価で燃費の良い車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明による車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムは、内燃機関に連結され、上記内燃機関の始動時は始動電動機として動作して上記内燃機関を始動させ、上記内燃機関の始動後は上記内燃機関により駆動されて３相交流電力を発生する発電電動機と、直流負荷および始動時の電源となるバッテリと、上記内燃機関の吸気系統に配設されて吸気ガスを圧縮するコンプレッサ、該コンプレッサの回転軸に同軸に取り付けられ、上記内燃機関の排気系統に配設されて排気ガスにより駆動されるタービン、および上記回転軸に同軸に取り付けられた回転機を有するターボチャージャと、上記発電電動機の３相電力端子および上記回転機の３相電力端子に配線を介して接続され、上記発電電動機側に接続されている場合には、上記発電電動機で発生した上記３相交流電力を直流電力に変換して上記バッテリに供給し、上記回転機側に接続されている場合には、上記バッテリの直流電力を３相交流電力に変換して上記回転機に供給するインバータと、上記配線の経路中に配設され、上記インバータの接続を上記発電電動機側又は上記回転機側に切り換える電力方向切換スイッチと、を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、電力方向切換スイッチを用いてインバータの接続を発電電動機側又は回転機側に切り換えるようにして、発電電動機とターボチャージャの回転機とが単一のインバータを共用できるようにしている。そこで、インバータの数が削減され、インバータの設置スペースおよびインバータとバッテリとの間の配線スペースが省スペース化され、かつ軽量化され、車載性が向上するとともに、低コスト化が図られる。また、排気ガスを利用してターボチャージャの回転機を発電機として動作させることができ、燃費の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムの構成を示す概略図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムに適用される電動発電機の構成を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムに適用される超高速回転機の固定子構成を説明する一部破断斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムに適用される超高速回転機の構成を説明する一部破断斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムの電気配線系統を示す概略図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおける始動・発電動作を説明するフロー図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおけるエンジンアシスト動作を説明するフロー図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムの電気配線系統を示す概略図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおける始動・発電動作を説明するフロー図である。
【図１０】この発明の実施の形態２に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおけるエンジンアシスト動作を説明するフロー図である。
【図１１】この発明の実施の形態３係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおけるエンジンアシスト動作を説明するフロー図である。
【図１２】この発明の実施の形態４係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおけるエンジンアシスト動作を説明するフロー図である。
【図１３】この発明の実施の形態４係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおけるエンジンアシスト動作を説明するフロー図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムの構成を示す概略図、図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムに適用される電動発電機の構成を示す断面図、図３はこの発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムに適用される超高速回転機の固定子構成を説明する一部破断斜視図、図４はこの発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムに適用される超高速回転機の構成を説明する一部破断斜視図、図５はこの発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムの電気配線系統を示す概略図である。なお、図３では１つの電機子コイルのみが記載され、図４では電機子コイルが省略されている。【００１３】
図１において、車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムは、内燃機関であるエンジン１の回転トルクにより駆動される発電電動機５と、エンジン１の排気システムに接続されたターボチャージャ１０と、を備える。
発電電動機５は、プーリ６をエンジン１のクランクシャフト２に固着されたプーリ３にベルト４を介して連結されている。発電電動機５は、ベルト４を介して伝達されたエンジン１の駆動力を交流電力に変換する。この交流電力は、発電電動機５のプーリ６と反対側に一体に取り付けられたインバータ１５により直流電力に変換され、バッテリ９を充電するとともに、車載負荷（図示せず）に供給される。【００１４】
ターボチャージャ１０は、エンジン１の排気系統８に配設されたタービン１１と、タービン１１の回転軸１２に固着され、エンジン１の吸気系統７に配設されたコンプレッサ１３と、回転軸１２に同軸に取り付けられた超高速回転機１４と、を有する。超高速回転機１４は、発電電動機５のインバータ１５と大電流配線１６を介して電気的に接続されている。なお、図１では、吸気系統７および排気系統８に設けられているキャブレターや触媒などは説明の便宜上省略されている。【００１５】
ここで、吸気ガスＡが、吸気系統７を介してエンジン１に供給され、エンジン１の内部で燃焼される。燃焼後の排気ガスＢが、排気系統８を介して外部に排気される。タービン１１は、排気系統８を流通する排気ガスＢにより駆動される。これにより、タービン１１の回転軸１２に固着されたコンプレッサ１３が回転駆動され、吸気ガスＡが大気圧以上に過給される。
この時、車両の運転者がアクセル操作によって加速しようとした場合、エンジン１が所定の回転数以上となり、かつ排気ガスＢが十分な流体パワーを得るまでの間の１〜２秒程度は、十分な動力をタービン１１に与えることができず、コンプレッサ１３の反応が遅れ、いわゆるターボラグという現象を生じる。【００１６】
そこで、バッテリ９の直流電力がインバータ１５により交流電力に変換されて、大電流配線１６を介して超高速回転機１４に供給され、超高速回転機１４が駆動される。これにより、ターボラグが生じる低速で、排気ガスＢの流体パワーが十分に得られない場合でも、駆動力が回転軸１２に印加され、コンプレッサ１３を迅速に駆動でき、ターボラグの発生が抑制される。【００１７】
ここで、インバータ１５は発電電動機５のプーリ６と反対側の端面に一体に配設されている。そして、発電電動機５は、インバータ１５をエンジン１の排気側の側面に近接して配設されている。さらに、ターボチャージャ１０の超高速回転機１４がインバータ１５に近接してエンジン１の排気側の側面に配設されている。【００１８】
つぎに、発電電動機５の構成を図２に基づいて具体的に説明する。
発電電動機５は、それぞれ略椀形状のアルミ製のフロントブラケット２０とリヤブラケット２１とからなるケースと、シャフト２３をケースに軸受を介して支持されて、ケース内に回転自在に配設された回転子２２と、ケースのフロント側に延出するシャフト２３の端部に固着されたプーリ６と、回転子２２の軸方向の両端面に固定されたファン２９と、回転子２２に対して一定の空隙を有して、回転子２２の外周を囲繞してケースに固定された固定子２６と、シャフト２３のリヤ側に固定され、回転子２２に電流を供給する一対のスリップリング３０と、各スリップリング３０に摺動するようにケース内に配設された一対のブラシ３１と、を備えている。なお、図示していないが、固定子２６で生じた交流電圧の大きさを調整する電圧調整器がケース内に配設されている。【００１９】
回転子２２は、励磁電流が流されて磁束を発生する界磁コイル２４と、界磁コイル２４を覆うように設けられ、その磁束によって磁極が形成されるポールコア２５と、シャフト２３と、を備えている。そして、ポールコア２５はその軸心位置に貫装されたシャフト２３に固着されている。固定子２６は、円筒状の固定子鉄心２７と、固定子鉄心２７に巻装され、回転子２２の回転に伴い、界磁コイル２４からの磁束の変化で交流が生じる電機子コイル２８と、を備えている。
このように構成された発電電動機５は、発電量が界磁コイル２４により調整可能な界磁制御式の回転電機である。【００２０】
つぎに、超高速回転機１４の構成を図３および図４に基づいて具体的に説明する。
超高速回転機１４は、回転軸１２に同軸に固着された回転子３４と、回転子３４を囲繞するように配設された固定子３６と、を備えている。回転子３４は、突極がそれぞれ軸方向の両側に互いに半突極ピッチずらして周方向に等角ピッチで４つずつ形成された鉄心から構成されている。固定子３６は、磁性鋼板を積層してなり、６本のティース３７ａが周方向に等角ピッチで配列されている固定子鉄心３７と、６本のティース３７ａに対して順次Ｕ，Ｖ，Ｗの３相を２回繰り返して集中巻きに巻回された電機子コイル３８と、を有する。固定子３６は界磁コイル３５を有し、図４中矢印で示すように、回転子３４から径方向外方向に流れ、その後軸方向に流れ、さらに径方向内方に流れて回転子３４に戻る磁束を作る。回転子３４の突極が半突極ピッチ周方向にずれているので、磁束は、軸方向から見ると、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に配置されたように作用する。【００２１】
このように構成された超高速回転機１４は、無整流子モータであり、磁気的には、８極６スロットの集中巻き方式の永久磁石式回転電機と同様に動作する。但し、界磁コイル３５により磁束を発生しているので、界磁コイル３５への通電を停止することで、逆起電力を取り去ることができる。この超高速回転機１４も、界磁制御式の回転電機である。
なお、超高速回転機１４では、電機子コイル３８が集中巻き方式で固定子鉄心３７に巻装されているものとしているが、電機子コイル３８は分布巻き方式で固定子鉄心３７に巻装されてもよい。【００２２】
つぎに、車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムの回路構成を図５に基づいて説明する。
インバータ１５は、スイッチング素子１８とダイオード１９とを並列に接続したものを直列に接続してなる３つのセットを並列に配列して構成されている。インバータ１５の３相電力端子が、大電流配線１６を介して発電電動機５の電機子コイル２８の３相電力端子と、超高速回転機１４の電機子コイル３８の３相電力端子とに接続され、インバータ１５の直流電力端子がバッテリ９に接続されている。そして、インバータ１５の３相電力端子を発電電動機５の電機子コイル２８（ａ側）又は超高速回転機１４の電機子コイル３８（ｂ側）に切り換える電力方向切換スイッチ１７が大電流配線１６の経路中に設けられている。電力方向切換スイッチ１７は３相全てに設けてもよいが、ここでは２相のみに設けている。【００２３】
電流検出器３９が発電電流を検出できるように配設されている。なお、電流検出器３９は、シャント抵抗を入れ、電圧を検出してもよいし、その他の電流又は電圧を検出する方法でもよい。また、電流又は電圧を検出する場所は、電力方向切換スイッチ１７の付近でもよい。【００２４】
インバータ１５の各スイッチング素子１８のスイッチング動作は、制御回路４０の指令により制御される。同様に、電力方向切換スイッチ１７のスイッチング動作も、制御回路４０の指令により制御される。また、制御回路４０は、電圧調整器を制御して固定子２６で生じた交流電圧の大きさを調整し、発電電動機５の回転子２２の界磁コイル２４および超高速回転機１４の固定子３６の界磁コイル３５に通電する界磁電流を制御する。【００２５】
つぎに、このように構成された車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおける始動・発電動作を図６に示すフロー図に基づいて説明する。なお、図６中、ステップ１０１〜１０９をＳ１０１〜１０９と示している。【００２６】
車両停止時において、エンジン１は停止しているものとする。この状態では、電力方向切換スイッチ１７はａ側（発電電動機５側）に接続され、発電電動機５の界磁コイル２４および超高速回転機１４の界磁コイル３５への電力の供給が停止されている。【００２７】
ステップ１０１において、エンジン１の始動指令があると、ステップ１０２に移行し、電力が発電電動機５の界磁コイル２４に供給される。ついで、インバータ１５のスイッチング素子１８がＯＮ／ＯＦＦ制御され、バッテリ９の直流電力が３相交流電力に変換され、大電流配線１６を介して発電電動機５の電機子コイル２８に供給される（ステップ１０３）。これにより、発電電動機５が電動機として作動し、発電電動機５の回転子２２が回転駆動される。この回転子２２の回転トルクがプーリ３，６およびベルト４を介してエンジン１に伝達され、エンジン１が駆動される。【００２８】
ステップ１０４において、エンジン１の始動が検知されると、今度は、エンジン１の回転トルクがプーリ３，６およびベルト４を介して発電電動機５に伝達され、発電電動機５が駆動される。ついで、インバータ１５のスイッチング素子１８がＯＦＦされ（ステップ１０５）、発電電動機５の電機子コイル２８に誘起された交流電力がインバータ１５により直流電力に変換され、バッテリ９に充電される（ステップ１０６）。ここで、インバータ１５のスイッチング素子１８をＯＦＦとした状態で、界磁コイル２４への通電量を調整することにより、発電電動機５の発電量が調整される。なお、インバータ１５のスイッチング素子１８のＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、発電電動機５の発電量を制御することもできる。【００２９】
ついで、ステップ１０７において、エンジン１の停止指令があるか否かを判定する。そして、エンジン１の停止指令があると、エンジン１が停止される（ステップ１０８）。そして、発電電動機５の界磁コイル２４への電力の供給が停止される（ステップ１０９）。【００３０】
つぎに、車両が走行している状況（ステップ１０６の状態に相当）で、車両の運転者が急加速を試みた場合の動作について図７に基づいて説明する。なお、図７中、ステップ１１０〜１２０をＳ１１０〜１２０と示している。
制御回路４０が超高速回転機１４の動作指令であるアクセルの操作指令などを検知したか否かを判定する（ステップ１１０）。そして、超高速回転機１４の動作指令を検知すると、ステップ１１１に移行し、バッテリ９の電圧が所定値以下か否かを判定する。ステップ１１１において、バッテリ９の電圧が所定値以下であると判定されると、ステップ１２０に移行し、発電電動機５での発電を継続する。また、ステップ１１１において、バッテリ９の電圧が所定値を超えていると判定されると、ステップ１１２に移行し、界磁コイル２４への電力の供給を停止する。【００３１】
ついで、電流検出器３９の検出値が判定値以下であるか否かを判定する（ステップ１１３）。ここで、電力方向切換スイッチ１７に流れる電流がゼロ、若しくは微弱電流まで減流されたか否かが判定される。
ステップ１１３において、電流検出器３９の検出値が判定値以下であると判定されると、電力方向切換スイッチ１７をｂ側に接続する（ステップ１１４）。ついで、超高速回転機１４の界磁コイル３５に電力を供給し、かつインバータ１５のスイッチング素子１８をＯＮ／ＯＦＦ制御して、バッテリ９の直流電力を交流電力に変換し、超高速回転機１４の電機子コイル３８に供給する（ステップ１１５）。これにより、超高速回転機１４が駆動され、ターボチャージャ１０の回転数が１００,０００〜２００,０００ｒｐｍとなり、吸気ガスＡの圧縮が行われる。【００３２】
ついで、超高速回転機１４の動作指令が継続しているか否かを判定する（ステップ１１６）。超高速回転機１４の動作指令が継続していない、即ち、吸気ガスＡの圧縮が満足な状態であると判定されると、超高速回転機１４の界磁コイル３５への電力の供給を停止し、かつインバータ１５のスイッチング素子１８をＯＦＦとし、電機子コイル３８への電力の供給を停止する（ステップ１１７）。これにより、ターボチャージャ１０は排気ガスＢによってのみ駆動される。【００３３】
ついで、電流検出器３９の検出値が判定値以下であるか否かを判定する（ステップ１１８）。ステップ１１８で、電流検出器３９の検出値が判定値以下であると判定されると、電力方向切換スイッチ１７をａ側に接続し（ステップ１１９）、発電電動機５の界磁コイル２４に電力を供給し、発電電動機５を発電機として作動させ（ステップ１２０）、超高速回転機１４の動作指令を終了する。これにより、発電電動機５の電機子コイル２８に誘起された交流電力がインバータ１５により直流電力に変換され、バッテリ９に充電される。【００３４】
ここで、上述のステップ１１７におけるターボチャージャ１０が排気ガスＢのみによって駆動されている状態で、車両が高速走行、或いは高負荷走行に変わった場合について説明する。
車両の高速走行或いは高負荷走行においては、排気ガスＢはターボチャージャ１０に対して過給に必要な動力以上の流体エネルギーを有する。その場合、超高速回転機１４を発電機として動作させ、インバータ１５を回生モードで動作させることにより、バッテリ９および車載負荷に電力を供給することができる。この間、発電電動機５は発電を行う必要はない。【００３５】
このように、ターボチャージャ１０を利用して発電を行い、発電電動機５を休止させることは、下記の効果を奏する。
例えば、１ＫＷの電力を車両に供給する場合、エンジン１の熱効率は１０〜３０％程度しかないので、燃料としては約３〜１０ＫＷのエネルギーを投入する必要がある。ところが、排気ガスＢを用いて超高速回転機１４で発電を行うと、燃焼後の排気ガスＢに残る廃エネルギーを再利用することができる。その結果、発電のために、新たにエネルギーを投入する必要は無く、燃料からみた車両の効率を向上させることができる。【００３６】
なお、上記図７は、低速走行、低負荷走行が続き、排気ガスＢの流体エネルギーが小さく、あるいは車載負荷の電力消費が大きく、超高速回転機１４だけでは発電量をまかなえない場合の動作を示している。
また、信号や踏切などでエンジン１が停止すれば、発電電動機５の界磁コイル２４への電力の供給が停止される。そして、電力方向切換スイッチ１７がｂ側に接続されていれば、電流検出器３９の検出値が判定値以下となった後、電力方向切換スイッチ１７をａ側に切り換える。そして、エンジン１が再始動されると、上述のステップ１０１以降の動作を繰り返す。【００３７】
この実施の形態１では、電力方向切換スイッチ１７を用いて、インバータ１５と発電電動機５との接続と、インバータ１５とターボチャージャ１０との接続とを切り換えるようにしているので、発電電動機５およびターボチャージャ１０がインバータ１５を共用でき、インバータ１５の数を削減できる。１２Ｖ系のバッテリ９であれば、大電流配線１６には最大３００Ａクラスの３相電流が流れるため、太い配線となる。また、インバータ１５が発電電動機５のプーリ６と反対側の端面に一体に配設され、かつ発電電動機５がエンジン１の排気側の側面にインバータ１５を超高速回転機１４に近接させて配設されているので、インバータ１５と発電電動機５との間の大電流配線１６の配線長、さらにはインバータ１５と超高速回転機１４との間の大電流配線１６の配線長を短くすることができる。【００３８】
このように、インバータ数が削減され、かつ大電流配線１６の配線長が短縮されるので、配置スペースの削減、小型軽量化および低価格化が図られる。そこで、狭いエンジンルーム内においても、アイドリングストップシステムと電動アシストターボシステムの双方を搭載することができる。【００３９】
発電電動機５はエンジン１の動力により駆動され、超高速回転機１４は排気ガスＢにより駆動される。従って、永久磁石のような界磁を消去できないシステムでは、回転子からの逆起電力によって、インバータ１５に常時電圧を発生させてしまう。そして、回転数範囲の広い自動車の用途では、高速域でインバータ１５に発生する電圧が高電圧化してしまうので、高耐圧の電力方向切換スイッチ１７およびインバータ１５を用いる必要がある。さらに、回転子からの逆起電力によって電力方向切換スイッチ１７を流れる電流が生じると、通電状態で電力方向切換スイッチ１７を切り換えることになり、電力方向切換スイッチ１７接点に対してアークが生じるので、耐アーク性の電力方向切換スイッチ１７を用いる必要がある。【００４０】
この実施の形態１では、発電電動機５および超高速回転機１４を共に界磁制御式の回転電機とし、電力方向切換スイッチ１７の切換時に、発電電動機５および超高速回転機１４の界磁コイル２４，３５への給電を停止し、電力方向切換スイッチ１７に流れる電流がゼロもしくは微弱電流となった後に、電力方向切換スイッチ１７の切換操作を行うようにしている。そこで、回転子からの逆起電力に起因するインバータ１５における電圧の発生が抑制され、電力方向切換スイッチ１７の接点に対してアークの発生が防止される。これにより、電力方向切換スイッチ１７およびインバータ１５の耐圧が下がり、電力方向切換スイッチ１７の耐アークが下がるので、電力方向切換スイッチ１７およびインバータ１５を小型、かつ安価にすることができ、自動車車両への搭載性が高まる。【００４１】
さらに、発電電動機５の固定子２６の電機子コイル２８に誘起される３相交流電力をインバータ１５を用いて直流電力に変換しているので、３相ダイオードブリッジで構成される整流回路が不要となり、小型、かつ安価な発電電動機５を実現できる。【００４２】
実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムの電気配線系統を示す概略図である。
図８において、整流回路４１はダイオード１９を直列に接続した３つのセットを並列に配列して３相ダイオードブリッジに構成したものである。この整流回路４１は、ＤＣリンク部に対してインバータ１５と並列に、即ち発電電動機５の３相電力端子とバッテリ９との間にインバータ１５と並列に接続されている。スイッチ４２が整流回路４１とＤＣリンク部との間に配設されている。電力方向切換スイッチ１７は３相全てに設けている。整流回路４１およびスイッチ４２はインバータ１５に隣接して発電電動機５に内蔵されている。なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。【００４３】
つぎに、このように構成された車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおける始動・発電動作を図９に示すフロー図に基づいて説明する。なお、図９中、ステップ２０１〜２１６をＳ２０１〜２１６と示している。【００４４】
車両停止時において、エンジン１が停止しているものとする。この状態では、電力方向切換スイッチ１７はａ側（発電電動機５側）に接続され、発電電動機５の界磁コイル２４および超高速回転機１４の界磁コイル３５への電力の供給が停止され、スイッチ４２が開放されている。【００４５】
ステップ２０１において、エンジン１の始動指令があると、ステップ２０２に移行し、電力が発電電動機５の界磁コイル２４に供給される。ついで、インバータ１５のスイッチング素子１８がＯＮ／ＯＦＦ制御され、バッテリ９の直流電力が３相交流電力に変換され、大電流配線１６を介して発電電動機５の電機子コイル２８に供給される（ステップ２０３）。これにより、発電電動機５が電動機として作動し、発電電動機５の回転子２２が回転駆動される。この回転子２２の回転トルクがプーリ３，６およびベルト４を介してエンジン１に伝達され、エンジン１が駆動される。この時、スイッチ４２が開放されているので、整流回路４１のダイオード１９は保護状態となっている。【００４６】
ステップ２０４において、エンジン１の始動が検知されると、ステップ２０５に移行し、界磁コイル２４への電力の供給を停止する。ついで、電流検出器３９の検出値が判定値以下であるか否かを判定する（ステップ２０６）。ここで、電力方向切換スイッチ１７に流れる電流がゼロ、若しくは微弱電流まで減流されたか否かが判定される。
ステップ２０６において、電流検出器３９の検出値が判定値以下であると判定されると、電力方向切換スイッチ１７をｂ側に接続し（ステップ２０７）、スイッチ４２が接続状態にされる（ステップ２０８）。ついで、電力が発電電動機５の界磁コイル２４に供給される（ステップ２０９）。これにより、エンジン１の回転トルクがプーリ３，６およびベルト４を介して発電電動機５に伝達され、発電電動機５が発電機として動作する。そして、発電電動機５の電機子コイル２８に誘起された交流電力が整流回路４１により直流電力に変換され、バッテリ９に充電される（ステップ２１０）。【００４７】
ついで、ステップ２１１において、エンジン１の停止指令があるか否かを判定する。そして、エンジン１の停止指令があると、エンジン１が停止される（ステップ２１２）。そして、発電電動機５の界磁コイル２４への電力の供給が停止される（ステップ２１３）。この時点で、超高速回転機１４の界磁コイル３５に電力が供給されていれば、超高速回転機１４の界磁コイル３５への電力の供給も停止される。ついで、電流検出器３９の検出値が判定値以下であるか否かを判定する（ステップ２１４）。ステップ２１４において、電流検出器３９の検出値が判定値以下であると判定されると、電力方向切換スイッチ１７をａ側に接続し（ステップ２１５）、スイッチ４２を開放する（ステップ２１６）。【００４８】
つぎに、車両が走行している状況（ステップ２１０の状態に相当）で、車両の運転者が急加速を試みた場合の動作について図１０に基づいて説明する。なお、図１０中、ステップ２２０〜２２３をＳ２２０〜２２３と示している。
制御回路４０が超高速回転機１４の動作指令であるアクセルの操作指令などを検知したか否かを判定する（ステップ２２０）。そして、超高速回転機１４の動作指令を検知すると、超高速回転機１４の界磁コイル３５に電力を供給し、かつインバータ１５のスイッチング素子１８をＯＮ／ＯＦＦ制御して、バッテリ９の直流電力を交流電力に変換し、超高速回転機１４の電機子コイル３８に供給する（ステップ２２１）。これにより、超高速回転機１４が駆動され、ターボチャージャ１０の回転数が１００,０００〜２００,０００ｒｐｍとなり、吸気ガスＡの圧縮が行われる。【００４９】
ついで、超高速回転機１４の動作指令が継続しているか否かを判定する（ステップ２２２）。超高速回転機１４の動作指令が継続していない、即ち、吸気ガスＡの圧縮が満足な状態であると判定すると、ステップ２２３に移行する。そして、ステップ２２３では、超高速回転機１４の界磁コイル３５への電力の供給を停止し、かつインバータ１５のスイッチング素子１８をＯＦＦとし、超高速回転機１４の動作指令を終了する。これにより、ターボチャージャ１０は排気ガスＢによってのみ駆動される。【００５０】
ここで、上述のステップ２２３におけるターボチャージャ１０が排気ガスＢのみによって駆動されている状態で、車両が高速走行、或いは高負荷走行に変わった場合には、超高速回転機１４を発電機として動作させ、インバータ１５を回生モードで動作させることにより、バッテリ９および車載負荷に電力を供給することができる。
また、信号や踏切などでエンジン１が停止すれば、超高速回転機１４の界磁コイル３５への電力の供給が停止される。そして、電力方向切換スイッチ１７がｂ側に接続されていれば、電流検出器３９の検出値が判定値以下となった後、電力方向切換スイッチ１７をａ側に切り換える。また、エンジン１が再始動されると、上述のステップ２０１以降の動作を繰り返す。【００５１】
この実施の形態２では、インバータ１５と整流回路４１とをＤＣリンク部に対して並列に接続し、電力方向切換スイッチ１７を用いて、インバータ１５と発電電動機５との接続と、インバータ１５とターボチャージャ１０との接続とを切り換えるようにしている。そこで、吸気ガスＡの過給が必要な時、発電電動機５を発電動作させることで、バッテリ９および発電電動機５の双方から超高速回転機１４に電力を供給することができるので、バッテリ９の負荷が軽くなり、バッテリ９を大型化することなく、ターボ駆動に必要な３００Ａを供給することができる。【００５２】
また、車載負荷の発電負荷の状況に応じて、超高速回転機１４を発電機として動作させることができる。その場合、発電電動機５、バッテリ９および超高速回転機１４のいずれからも、電力を車載負荷に供給することができるので、車載負荷に対して大電力の供給が可能となる。
また、燃焼後の排気ガスＢに残る廃エネルギーを使用して超高速回転機１４で発電を行うことができるので、発電のために、新たにエネルギーを投入する必要は無く、燃料からみた車両の効率を向上させることができる。【００５３】
エンジン１の始動時インバータ１５の電流量を減らし、インバータ１５の小型化を図るには、発電電動機５の電機子コイル２８の巻き数を増やすことが有効な手段となる。しかし、電機子コイル２８の巻き数を増やすと、電機子コイル２８のインピーダンスが増加し、高速域における発電量の低下をもたらす。この実施の形態２では、排気ガスＢの流体エネルギーの大きな高速域で、超高速回転機１４で発電することで、高速域での発電電動機５の発電量の低下を補うことができる。従って、発電電動機５を用いたアイドリングストップシステムにおけるインバータ１５の小型化および低価格化を実現できる。
また、発電電動機５がＤＣリンク部にバッテリ９と並列して直結されているので、バッテリ９の大型化を回避することができ、車載スペース削減と低価格化が図られる。【００５４】
この実施の形態２においても、発電電動機５および超高速回転機１４を共に界磁制御式の回転電機とし、発電電動機５および超高速回転機１４の界磁コイル２４，３５への給電を停止し、電力方向切換スイッチ１７に流れる電流がゼロもしくは微弱電流となった後に、電力方向切換スイッチ１７の切換操作を行うようにしているので、上記実施の形態１と同様に、電力方向切換スイッチ１７およびインバータ１５を小型、かつ安価にすることができ、自動車車両への搭載性が高まる。【００５５】
実施の形態３．
この実施の形態３では、上記実施の形態１における車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおいて、車両がエンジン始動後にアイドリング待機状態となったときに発電電動機がエンジンアシストするものである。【００５６】
ここで、オートマチックトランスミッション車（ＡＴ車）では、オートマチックトランスミッションのポジションがパーキング（Ｐ）またはニュートラル（Ｎ）の場合、あるいはオートマチックトランスミッションのポジションがパーキング（Ｐ）→リバース（Ｒ）→ニュートラル（Ｎ）と変更される場合、車両がアイドリング待機状態である、と判断できる。オートマチックトランスミッションのポジションがＰまたはＮの場合、エンジン１の回転トルクがギヤを介してタイヤに伝わることがないので、アイドリング待機状態と判断できる。また、オートマチックトランスミッションのポジションがＮ→Ｒ→Ｐと変更された場合は停車、もしくはアイドリング待機状態であるので、エンジン１が駆動されている状態であれば、アイドリング待機状態であると判断される。【００５７】
マニュアルトランスミッション車（ＭＴ車）では、シフトレバーのポジションがニュートラル（Ｎ）で、かつサイドブレーキをかけた状態の場合、エンジン１とトランスミッションとが切り離されており、サイドブレーキを掛け、車両が完全に停車状態となるため、アイドリング待機状態であると判断される。なお、制御回路４０は、車両の各種センサからの出力に基づいて、上述のアイドリング待機状態を判断する。【００５８】
つぎに、この実施の形態３の動作について図１１を参照しつつ説明する。なお、図１１では、ステップ３０１〜３１０をＳ３０１〜３１０としている。
まず、アイドリング待機状態において、超高速回転機１４は停止しているものとする。ステップ３０１において、エンジンアシスト動作指令があると、ステップ３０２に移行し、発電電動機５の界磁コイル２４および超高速回転機１４の界磁コイル３５への給電が停止される。ついで、電流検出器３９の検出値が判定値以下であるか否かを判定する（ステップ３０３）。ステップ３０３において、電流検出器３９の検出値が判定値以下と判定されると、電力方向切換スイッチ１７をａ側に接続する（ステップ３０４）。【００５９】
ついで、発電電動機５の界磁コイル２４に給電し（ステップ３０５）、バッテリ９の電圧が所定値以下か否かを判定する（ステップ３０６）。ステップ３０６において、バッテリ９の電圧が所定値以下か判定されると、発電電動機５の界磁コイル２４への給電を継続し、発電電動機５による発電を継続する（ステップ３１０）。ステップ３０６において、バッテリ９の電圧が所定値以下を超えていると判定されると、インバータ１５のスイッチング素子１８がＯＮ／ＯＦＦ制御され、バッテリ９の直流電力が３相交流電力に変換され、大電流配線１６を介して発電電動機５の電機子コイル２８に供給される（ステップ３０７）。これにより、発電電動機５は電動機として作動し、回転子２２が回転駆動される。この回転子２２の回転トルクがプーリ３，６およびベルトを介してエンジン１に伝達される。【００６０】
ついで、発電電動機５の動作指令が継続しているか否かを判定する（ステップ３０８）。ステップ３０８において、発電電動機５の動作指令が継続していると判定されると、ステップ３０６に戻る。また、ステップ３０８において、発電電動機５の動作指令が継続していないと判定されると、インバータ１５のスイッチング素子１８をＯＦＦとし電機子コイル２８への給電が停止され（ステップ３０９）、ステップ３１０に移行する。これにより、発電電動機５が発電機として作動する。そして、スイッチング素子１８がＯＮ／ＯＦＦ制御され、電機子コイル２８に誘起された交流電力が直流電力に変換され、バッテリ９が充電される。【００６１】
このように、この実施の形態３によれば、エンジンアシストと発電動作とを選択的に使用することで、アイドリング状態での電装部品使用によるバッテリ電圧の低下を防ぐことが可能となり、エンジンアシストシステムによる燃費の向上が可能となる。
なお、上述のエンジンアシスト動作指令は、エンジンを発電電動機５によりアシストする指令であり、この指令により、アイドリング状態にあるエンジン回転を発電電動機５で補助する動作が行われ、アイドリング状態のエンジン負荷を軽減し、燃費の向上を図る。【００６２】
実施の形態４．
この実施の形態４では、上記実施の形態２における車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおいて、車両がエンジン始動後にアイドリング待機状態となったときに発電電動機がエンジンアシストするものである。アイドリング待機状態の判断は、上記実施の形態３と同様である。この実施の形態４では、発電電動機５をエンジンアシストと発電動作として使用すると共に、超高速回転機１４および発電電動機５の発電動作を選択的に使用することが可能となる。超高速回転機１４と発電電動機５との双方を発電動作させることにより、より急速は発電が可能となり、エンジンアシストシステムを機能する時間を増やすことが可能となり、燃費が向上する。【００６３】
つぎに、この実施の形態４の動作について図１２および図１３を参照しつつ説明する。なお、図１２および図１３では、ステップ４０１〜４１８をＳ４０１〜４１８としている。
まず、アイドリング待機状態において、超高速回転機１４は停止しているものとする。ステップ４０１において、エンジンアシスト動作指令があると、ステップ４０２に移行し、発電電動機５の界磁コイル２４および超高速回転機１４の界磁コイル３５への給電が停止される。ついで、電流検出器３９の検出値が判定値以下であるか否かを判定する（ステップ４０３）。ステップ４０３において、電流検出器３９の検出値が判定値以下と判定されると、電力方向切換スイッチ１７をａ側に接続し（ステップ４０４）、さらにスイッチ４２を開放する（ステップ４０５）。【００６４】
ついで、発電電動機５の界磁コイル２４に給電し（ステップ４０６）、バッテリ９の電圧が所定値以下か否かを判定する（ステップ４０７）。ステップ４０７において、バッテリ９の電圧が所定値以下か判定されると、ステップ４１１に移行する。
ステップ４０７において、バッテリ９の電圧が所定値を超えていると判定されると、インバータ１５のスイッチング素子１８がＯＮ／ＯＦＦ制御され、バッテリ９の直流電力が３相交流電力に変換され、大電流配線１６を介して発電電動機５の電機子コイル２８に供給される（ステップ４０８）。これにより、発電電動機５は電動機として作動し、回転子２２が回転駆動される。この回転子２２の回転トルクがプーリ３，６およびベルトを介してエンジン１に伝達される。【００６５】
ついで、発電電動機５の動作指令が継続しているか否かを判定する（ステップ４０９）。ステップ４０９において、発電電動機５の動作指令が継続していると判定されると、ステップ４０７に戻る。また、ステップ４０９において、発電電動機５の動作指令が継続していないと判定されると、インバータ１５のスイッチング素子１８をＯＦＦとし電機子コイル２８への給電が停止され（ステップ４１０）、ステップ４１１に移行する。【００６６】
ステップ４１１において、発電電動機５の界磁コイル２４への給電が停止されると、電流検出器３９の検出値が判定値以下であるか否かを判定する（ステップ４１２）。ステップ４１２において、電流検出器３９の検出値が判定値以下と判定されると、電力方向切換スイッチ１７をｂ側に切り換えるか否かを判定する（ステップ４１３）。ステップ４１３において、バッテリ電圧が所定値以上であると電力方向切換スイッチ１７をｂ側に切り換えると判定し、電力方向切換スイッチ１７をｂ側に切り換え（ステップ４１４）、スイッチ４２を閉成し（ステップ４１５）、ステップ４１６に移行する。ステップ４１６において、発電電動機５の界磁コイル２４および超高速回転機１４の界磁コイル３５に給電し、発電電動機５および超高速回転機１４が発電動作する（ステップ４１７）。【００６７】
ステップ４１３において、バッテリ電圧が所定値より低いと電力方向切換スイッチ１７をｂ側に切り換えないと判定し、ステップ４１８に移行する。ステップ４１８において、発電電動機５の界磁コイル２４に給電し、発電電動機５が発電動作する（ステップ４１９）。【００６８】
このように、この実施の形態４によれば、発電電動機５のみによる発電動作と、発電電動機５と超高速回転機１４とによる発電動作とを選択することが可能となる。
そして、発電電動機５のみよる発電では、発電電動機５の交流電力をインバータ１５のスイッチング素子１８をＯＮ／ＯＦＦ制御して直流電力に変換しているので、発電効率が改善される。又、発電量が増え、短時間でバッテリ電圧を所定値以上にすることができ、エンジンアシストシステムが機能する時間が増え、燃費が向上する。
発電電動機５と超高速回転機１４とによる発電では、発電電流が分流されるので、発熱が分散され、モジュールの小型化が可能となる。【００６９】
なお、上記各実施の形態では、インバータ１５が発電電動機５のプーリ６と反対側の端面に一体に配設されているものとしているが、インバータ１５は、発電電動機５のプーリ６と反対側の端面近傍に設けられてもよいし、発電電動機５のプーリ６と反対側のケース内部に一体に設けられてもよい。
【図１】
2008059681.tif 000003
【図２】
2008059681.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年12月10日(2008.12.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に連結され、上記内燃機関の始動時は始動電動機として動作して上記内燃機関を始動させ、上記内燃機関の始動後は上記内燃機関により駆動されて３相交流電力を発生する発電電動機と、
直流負荷および始動時の電源となるバッテリと、
上記内燃機関の吸気系統に配設されて吸気ガスを圧縮するコンプレッサ、該コンプレッサの回転軸に同軸に取り付けられ、上記内燃機関の排気系統に配設されるタービン、および上記回転軸に同軸に取り付けられた回転機を有するターボチャージャと、
上記発電電動機の３相電力端子および上記回転機の３相電力端子に配線を介して接続され、上記発電電動機側に接続されている場合には、上記発電電動機で発生した上記３相交流電力を直流電力に変換して上記バッテリに供給し、上記回転機側に接続されている場合には、上記バッテリの直流電力を３相交流電力に変換して上記回転機に供給するインバータと、
上記配線の経路中に配設され、上記インバータの接続を上記発電電動機側又は上記回転機側に切り換える電力方向切換スイッチと、
を備えていることを特徴とする車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【請求項２】
内燃機関に連結され、上記内燃機関の始動時は始動電動機として動作して上記内燃機関を始動させ、上記内燃機関の始動後は上記内燃機関により駆動されて３相交流電力を発生する発電電動機と、
直流負荷および始動時の電源となるバッテリと、
上記内燃機関の吸気系統に配設されて吸気ガスを圧縮するコンプレッサ、該コンプレッサの回転軸に同軸に取り付けられ、上記内燃機関の排気系統に配設されるタービン、および上記回転軸に同軸に取り付けられた回転機を有するターボチャージャと、
上記発電電動機の３相電力端子および上記回転機の３相電力端子に配線を介して接続され、上記発電電動機側に接続されている場合には、上記バッテリの直流電力を３相交流電力に変換して上記発電電動機に供給し、上記回転機側に接続されている場合には、上記バッテリの直流電力を３相交流電力に変換して上記回転機に供給するインバータと、
上記発電電動機の上記３相電力端子と上記バッテリとの間に上記インバータと並列に接続され、上記発電電動機で発生した上記３相交流電力を直流電力に変換して上記バッテリに供給する３相ダイオードブリッジからなる整流回路と、
上記配線の経路中に配設され、上記インバータの接続を上記発電電動機側又は上記回転機側に切り換える電力方向切換スイッチと、
を備えていることを特徴とする車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【請求項３】
上記発電電動機および上記回転機は、回転子又は固定子に設けた界磁コイルに通電することにより上記回転子に主磁束を発生させる界磁制御式の回転電機であり、上記電力方向切換スイッチの切換動作時には、上記インバータのスイッチング動作が停止され、かつ上記界磁コイルへの電力の供給が停止されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【請求項４】
上記インバータが、上記発電電動機に近接して、あるいは上記発電電動機に一体に配設され、上記発電電動機が、上記内燃機関の側面に、上記インバータを上記回転機に近接させて配設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【請求項５】
車両の内燃機関に連結され、アイドリング待機時には電動機として動作して上記内燃機関をアシストし、アイドリング待機解除後には上記内燃機関により駆動されて３相交流電力を発生する発電電動機と、
直流負荷および始動時の電源となるバッテリと、
上記内燃機関の吸気系統に配設されて吸気ガスを圧縮するコンプレッサ、該コンプレッサの回転軸に同軸に取り付けられ、上記内燃機関の排気系統に配設されるタービン、および上記回転軸に同軸に取り付けられた回転機を有するターボチャージャと、
上記発電電動機の３相電力端子および上記回転機の３相電力端子に配線を介して接続され、上記発電電動機側に接続されている場合には、上記発電電動機で発生した上記３相交流電力を直流電力に変換して上記バッテリに供給し、上記回転機側に接続されている場合には、上記バッテリの直流電力を３相交流電力に変換して上記回転機に供給するインバータと、
上記配線の経路中に配設され、上記インバータの接続を上記発電電動機側又は上記回転機側に切り換える電力方向切換スイッチと、
を備えていることを特徴とする車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【請求項６】
車両の内燃機関に連結され、アイドリング待機時には電動機として動作して上記内燃機関をアシストし、アイドリング待機解除後には上記内燃機関により駆動されて３相交流電力を発生する発電電動機と、
直流負荷および始動時の電源となるバッテリと、
上記内燃機関の吸気系統に配設されて吸気ガスを圧縮するコンプレッサ、該コンプレッサの回転軸に同軸に取り付けられ、上記内燃機関の排気系統に配設されるタービン、および上記回転軸に同軸に取り付けられた回転機を有するターボチャージャと、
上記発電電動機の３相電力端子および上記回転機の３相電力端子に配線を介して接続され、上記発電電動機側に接続されている場合には、上記バッテリの直流電力を３相交流電力に変換して上記発電電動機に供給し、上記回転機側に接続されている場合には、上記バッテリの直流電力を３相交流電力に変換して上記回転機に供給するインバータと、
上記発電電動機の上記３相電力端子と上記バッテリとの間に上記インバータと並列に接続され、上記発電電動機で発生した上記３相交流電力を直流電力に変換して上記バッテリに供給する３相ダイオードブリッジからなる整流回路と、
上記配線の経路中に配設され、上記インバータの接続を上記発電電動機側又は上記回転機側に切り換える電力方向切換スイッチと、
を備えていることを特徴とする車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【請求項７】
上記車両がオートマチックトランスミッション車であり、
オートマチックトランスミッションのポジションがパーキング又はニュートラルである時に、アイドリング待機状態と判断することを特徴とする請求項５又は請求項６記載の車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【請求項８】
上記車両がオートマチックトランスミッション車であり、
オートマチックトランスミッションのポジションがパーキングからリバースを経てニュートラルに移行したときに、アイドリング待機状態と判断することを特徴とする請求項５又は請求項６記載の車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【請求項９】
上記車両がマニュアルトランスミッション車であり、
シフトレバーのポジションがニュートラルであり、かつサイドブレーキがかけられている時に、アイドリング待機状態と判断することを特徴とする請求項５又は請求項６記載の車両用ハイブリッドエンジンアシストシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電動機により駆動されるターボチャージャと発電電動機を利用したアイドリングストップシステムの双方を有する車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両の走行時には、ベルトを介して伝達されるエンジンの回転トルクによりオルタネータを駆動して電力を発生させ、停車時には、オルタネータに駆動電力を供給してモータとして動作させてエンジンを再始動させるアイドリングストップシステムが提案されていた（例えば、特許文献１参照）。
また、超高速回転機（モータ）と排気ガスで駆動されるタービンとを、吸気ガスを圧縮するコンプレッサと同軸に配置して、エンジンの吸入空気をターボチャージャで圧縮して高出力を得ようとする場合におけるターボの低速回転域での過給圧の立ち後れを解決した電動ターボシステムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３２８６９０号公報
【特許文献２】特表２００５−５００４５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、アイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムは、ともに内燃機関の燃費向上および小型化という点で効果が期待できるが、一部の車両に搭載されるに留まり、広く普及するに至っていない。つまり、アイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムを車両に搭載するには、モータおよびインバータを車両用の狭いエンジンルーム内に配置する必要があり、スペースおよびコストの問題があった。
【０００５】
特に、自動車においては、１２Ｖの低圧バッテリを利用するのであるが、アイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムの双方とも、瞬時の利用が主ではあるが、所定の性能を得るためには、瞬間最大で３〜４ＫＶＡ程度の電力が要求される。そのため、インバータおよび配線の電流量も、３００Ａクラスの大電流となる。
特に、アイドリングストップシステムは、３００Ａクラスのインバータは大型化してしまい、高コストであるわりに、その利用される総時間はアイドリングからの再始動の瞬間に限られるため、車両の生涯寿命数万時間に対してその稼働率が極めて低く、コストメリットが少ないという課題もあった。
【０００６】
また、アイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムの双方とも、このような３００Ａクラスの大電流が必要なので、配線による電圧降下も無視できず、十分な電力を確保しようとすると、配線断面積が大きくなることから、配線の配置スペースも問題となってしまう。
一方で、近年熱効率の高さから、ディーゼルエンジンを搭載した車両が増加しつつあるが、さらなる燃費向上に向けてターボチャージャは大型化し、かつアイドリングも停止するなど、徹底した燃費追求が求められている。
【０００７】
従い、アイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムの双方を搭載することが求められているが、上記従来例の単なる組み合わせでは、上述のように、アイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムの双方に対して大電流インバータ、およびバッテリと各インバータの配線ケーブルの配置スペースが必要となり、車載性や重量、コストなどの点でアイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムの双方の搭載は現実的に困難となる。
【０００８】
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、アイドリングストップシステムおよび電動ターボシステムの双方を同時に搭載するための設置スペースの省スペース化を図るとともに、装置間の配線を簡素化して、小型軽量安価で燃費の良い車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明による車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムは、内燃機関に連結され、上記内燃機関の始動時は始動電動機として動作して上記内燃機関を始動させ、上記内燃機関の始動後は上記内燃機関により駆動されて３相交流電力を発生する発電電動機と、直流負荷および始動時の電源となるバッテリと、上記内燃機関の吸気系統に配設されて吸気ガスを圧縮するコンプレッサ、該コンプレッサの回転軸に同軸に取り付けられ、上記内燃機関の排気系統に配設されるタービン、および上記回転軸に同軸に取り付けられた回転機を有するターボチャージャと、上記発電電動機の３相電力端子および上記回転機の３相電力端子に配線を介して接続され、上記発電電動機側に接続されている場合には、上記発電電動機で発生した上記３相交流電力を直流電力に変換して上記バッテリに供給し、上記回転機側に接続されている場合には、上記バッテリの直流電力を３相交流電力に変換して上記回転機に供給するインバータと、上記配線の経路中に配設され、上記インバータの接続を上記発電電動機側又は上記回転機側に切り換える電力方向切換スイッチと、を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、電力方向切換スイッチを用いてインバータの接続を発電電動機側又は回転機側に切り換えるようにして、発電電動機とターボチャージャの回転機とが単一のインバータを共用できるようにしている。そこで、インバータの数が削減され、インバータの設置スペースおよびインバータとバッテリとの間の配線スペースが省スペース化され、かつ軽量化され、車載性が向上するとともに、低コスト化が図られる。また、排気ガスを利用してターボチャージャの回転機を発電機として動作させることができ、燃費の向上が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムの構成を示す概略図、図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムに適用される電動発電機の構成を示す断面図、図３はこの発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムに適用される超高速回転機の固定子構成を説明する一部破断斜視図、図４はこの発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムに適用される超高速回転機の構成を説明する一部破断斜視図、図５はこの発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムの電気配線系統を示す概略図である。なお、図３では１つの電機子コイルのみが記載され、図４では電機子コイルが省略されている。
【００１２】
図１において、車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムは、内燃機関であるエンジン１の回転トルクにより駆動される発電電動機５と、エンジン１の排気システムに接続されたターボチャージャ１０と、を備える。
発電電動機５は、プーリ６をエンジン１のクランクシャフト２に固着されたプーリ３にベルト４を介して連結されている。発電電動機５は、ベルト４を介して伝達されたエンジン１の駆動力を交流電力に変換する。この交流電力は、発電電動機５のプーリ６と反対側に一体に取り付けられたインバータ１５により直流電力に変換され、バッテリ９を充電するとともに、車載負荷（図示せず）に供給される。
【００１３】
ターボチャージャ１０は、エンジン１の排気系統８に配設されたタービン１１と、タービン１１の回転軸１２に固着され、エンジン１の吸気系統７に配設されたコンプレッサ１３と、回転軸１２に同軸に取り付けられた超高速回転機１４と、を有する。超高速回転機１４は、発電電動機５のインバータ１５と大電流配線１６を介して電気的に接続されている。なお、図１では、吸気系統７および排気系統８に設けられているキャブレターや触媒などは説明の便宜上省略されている。
【００１４】
ここで、吸気ガスＡが、吸気系統７を介してエンジン１に供給され、エンジン１の内部で燃焼される。燃焼後の排気ガスＢが、排気系統８を介して外部に排気される。タービン１１は、排気系統８を流通する排気ガスＢにより駆動される。これにより、タービン１１の回転軸１２に固着されたコンプレッサ１３が回転駆動され、吸気ガスＡが大気圧以上に過給される。
この時、車両の運転者がアクセル操作によって加速しようとした場合、エンジン１が所定の回転数以上となり、かつ排気ガスＢが十分な流体パワーを得るまでの間の１〜２秒程度は、十分な動力をタービン１１に与えることができず、コンプレッサ１３の反応が遅れ、いわゆるターボラグという現象を生じる。
【００１５】
そこで、バッテリ９の直流電力がインバータ１５により交流電力に変換されて、大電流配線１６を介して超高速回転機１４に供給され、超高速回転機１４が駆動される。これにより、ターボラグが生じる低速で、排気ガスＢの流体パワーが十分に得られない場合でも、駆動力が回転軸１２に印加され、コンプレッサ１３を迅速に駆動でき、ターボラグの発生が抑制される。
【００１６】
ここで、インバータ１５は発電電動機５のプーリ６と反対側の端面に一体に配設されている。そして、発電電動機５は、インバータ１５をエンジン１の排気側の側面に近接して配設されている。さらに、ターボチャージャ１０の超高速回転機１４がインバータ１５に近接してエンジン１の排気側の側面に配設されている。
【００１７】
つぎに、発電電動機５の構成を図２に基づいて具体的に説明する。
発電電動機５は、それぞれ略椀形状のアルミ製のフロントブラケット２０とリヤブラケット２１とからなるケースと、シャフト２３をケースに軸受を介して支持されて、ケース内に回転自在に配設された回転子２２と、ケースのフロント側に延出するシャフト２３の端部に固着されたプーリ６と、回転子２２の軸方向の両端面に固定されたファン２９と、回転子２２に対して一定の空隙を有して、回転子２２の外周を囲繞してケースに固定された固定子２６と、シャフト２３のリヤ側に固定され、回転子２２に電流を供給する一対のスリップリング３０と、各スリップリング３０に摺動するようにケース内に配設された一対のブラシ３１と、を備えている。なお、図示していないが、固定子２６で生じた交流電圧の大きさを調整する電圧調整器がケース内に配設されている。
【００１８】
回転子２２は、励磁電流が流されて磁束を発生する界磁コイル２４と、界磁コイル２４を覆うように設けられ、その磁束によって磁極が形成されるポールコア２５と、シャフト２３と、を備えている。そして、ポールコア２５はその軸心位置に貫装されたシャフト２３に固着されている。固定子２６は、円筒状の固定子鉄心２７と、固定子鉄心２７に巻装され、回転子２２の回転に伴い、界磁コイル２４からの磁束の変化で交流が生じる電機子コイル２８と、を備えている。
このように構成された発電電動機５は、発電量が界磁コイル２４により調整可能な界磁制御式の回転電機である。
【００１９】
つぎに、超高速回転機１４の構成を図３および図４に基づいて具体的に説明する。
超高速回転機１４は、回転軸１２に同軸に固着された回転子３４と、回転子３４を囲繞するように配設された固定子３６と、を備えている。回転子３４は、突極がそれぞれ軸方向の両側に互いに半突極ピッチずらして周方向に等角ピッチで４つずつ形成された鉄心から構成されている。固定子３６は、磁性鋼板を積層してなり、６本のティース３７ａが周方向に等角ピッチで配列されている固定子鉄心３７と、６本のティース３７ａに対して順次Ｕ，Ｖ，Ｗの３相を２回繰り返して集中巻きに巻回された電機子コイル３８と、を有する。固定子３６は界磁コイル３５を有し、図４中矢印で示すように、回転子３４から径方向外方向に流れ、その後軸方向に流れ、さらに径方向内方に流れて回転子３４に戻る磁束を作る。回転子３４の突極が半突極ピッチ周方向にずれているので、磁束は、軸方向から見ると、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に配置されたように作用する。
【００２０】
このように構成された超高速回転機１４は、無整流子モータであり、磁気的には、８極６スロットの集中巻き方式の永久磁石式回転電機と同様に動作する。但し、界磁コイル３５により磁束を発生しているので、界磁コイル３５への通電を停止することで、逆起電力を取り去ることができる。この超高速回転機１４も、界磁制御式の回転電機である。
なお、超高速回転機１４では、電機子コイル３８が集中巻き方式で固定子鉄心３７に巻装されているものとしているが、電機子コイル３８は分布巻き方式で固定子鉄心３７に巻装されてもよい。
【００２１】
つぎに、車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムの回路構成を図５に基づいて説明する。
インバータ１５は、スイッチング素子１８とダイオード１９とを並列に接続したものを直列に接続してなる３つのセットを並列に配列して構成されている。インバータ１５の３相電力端子が、大電流配線１６を介して発電電動機５の電機子コイル２８の３相電力端子と、超高速回転機１４の電機子コイル３８の３相電力端子とに接続され、インバータ１５の直流電力端子がバッテリ９に接続されている。そして、インバータ１５の３相電力端子を発電電動機５の電機子コイル２８（ａ側）又は超高速回転機１４の電機子コイル３８（ｂ側）に切り換える電力方向切換スイッチ１７が大電流配線１６の経路中に設けられている。電力方向切換スイッチ１７は３相全てに設けてもよいが、ここでは２相のみに設けている。
【００２２】
電流検出器３９が発電電流を検出できるように配設されている。なお、電流検出器３９は、シャント抵抗を入れ、電圧を検出してもよいし、その他の電流又は電圧を検出する方法でもよい。また、電流又は電圧を検出する場所は、電力方向切換スイッチ１７の付近でもよい。
【００２３】
インバータ１５の各スイッチング素子１８のスイッチング動作は、制御回路４０の指令により制御される。同様に、電力方向切換スイッチ１７のスイッチング動作も、制御回路４０の指令により制御される。また、制御回路４０は、電圧調整器を制御して固定子２６で生じた交流電圧の大きさを調整し、発電電動機５の回転子２２の界磁コイル２４および超高速回転機１４の固定子３６の界磁コイル３５に通電する界磁電流を制御する。
【００２４】
つぎに、このように構成された車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおける始動・発電動作を図６に示すフロー図に基づいて説明する。なお、図６中、ステップ１０１〜１０９をＳ１０１〜１０９と示している。
【００２５】
車両停止時において、エンジン１は停止しているものとする。この状態では、電力方向切換スイッチ１７はａ側（発電電動機５側）に接続され、発電電動機５の界磁コイル２４および超高速回転機１４の界磁コイル３５への電力の供給が停止されている。
【００２６】
ステップ１０１において、エンジン１の始動指令があると、ステップ１０２に移行し、電力が発電電動機５の界磁コイル２４に供給される。ついで、インバータ１５のスイッチング素子１８がＯＮ／ＯＦＦ制御され、バッテリ９の直流電力が３相交流電力に変換され、大電流配線１６を介して発電電動機５の電機子コイル２８に供給される（ステップ１０３）。これにより、発電電動機５が電動機として作動し、発電電動機５の回転子２２が回転駆動される。この回転子２２の回転トルクがプーリ３，６およびベルト４を介してエンジン１に伝達され、エンジン１が駆動される。
【００２７】
ステップ１０４において、エンジン１の始動が検知されると、今度は、エンジン１の回転トルクがプーリ３，６およびベルト４を介して発電電動機５に伝達され、発電電動機５が駆動される。ついで、インバータ１５のスイッチング素子１８がＯＦＦされ（ステップ１０５）、発電電動機５の電機子コイル２８に誘起された交流電力がインバータ１５により直流電力に変換され、バッテリ９に充電される（ステップ１０６）。ここで、インバータ１５のスイッチング素子１８をＯＦＦとした状態で、界磁コイル２４への通電量を調整することにより、発電電動機５の発電量が調整される。なお、インバータ１５のスイッチング素子１８のＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、発電電動機５の発電量を制御することもできる。
【００２８】
ついで、ステップ１０７において、エンジン１の停止指令があるか否かを判定する。そして、エンジン１の停止指令があると、エンジン１が停止される（ステップ１０８）。そして、発電電動機５の界磁コイル２４への電力の供給が停止される（ステップ１０９）。
【００２９】
つぎに、車両が走行している状況（ステップ１０６の状態に相当）で、車両の運転者が急加速を試みた場合の動作について図７に基づいて説明する。なお、図７中、ステップ１１０〜１２０をＳ１１０〜１２０と示している。
制御回路４０が超高速回転機１４の動作指令であるアクセルの操作指令などを検知したか否かを判定する（ステップ１１０）。そして、超高速回転機１４の動作指令を検知すると、ステップ１１１に移行し、バッテリ９の電圧が所定値以下か否かを判定する。ステップ１１１において、バッテリ９の電圧が所定値以下であると判定されると、ステップ１２０に移行し、発電電動機５での発電を継続する。また、ステップ１１１において、バッテリ９の電圧が所定値を超えていると判定されると、ステップ１１２に移行し、界磁コイル２４への電力の供給を停止する。
【００３０】
ついで、電流検出器３９の検出値が判定値以下であるか否かを判定する（ステップ１１３）。ここで、電力方向切換スイッチ１７に流れる電流がゼロ、若しくは微弱電流まで減流されたか否かが判定される。
ステップ１１３において、電流検出器３９の検出値が判定値以下であると判定されると、電力方向切換スイッチ１７をｂ側に接続する（ステップ１１４）。ついで、超高速回転機１４の界磁コイル３５に電力を供給し、かつインバータ１５のスイッチング素子１８をＯＮ／ＯＦＦ制御して、バッテリ９の直流電力を交流電力に変換し、超高速回転機１４の電機子コイル３８に供給する（ステップ１１５）。これにより、超高速回転機１４が駆動され、ターボチャージャ１０の回転数が１００,０００〜２００,０００ｒｐｍとなり、吸気ガスＡの圧縮が行われる。
【００３１】
ついで、超高速回転機１４の動作指令が継続しているか否かを判定する（ステップ１１６）。超高速回転機１４の動作指令が継続していない、即ち、吸気ガスＡの圧縮が満足な状態であると判定されると、超高速回転機１４の界磁コイル３５への電力の供給を停止し、かつインバータ１５のスイッチング素子１８をＯＦＦとし、電機子コイル３８への電力の供給を停止する（ステップ１１７）。これにより、ターボチャージャ１０は排気ガスＢによってのみ駆動される。
【００３２】
ついで、電流検出器３９の検出値が判定値以下であるか否かを判定する（ステップ１１８）。ステップ１１８で、電流検出器３９の検出値が判定値以下であると判定されると、電力方向切換スイッチ１７をａ側に接続し（ステップ１１９）、発電電動機５の界磁コイル２４に電力を供給し、発電電動機５を発電機として作動させ（ステップ１２０）、超高速回転機１４の動作指令を終了する。これにより、発電電動機５の電機子コイル２８に誘起された交流電力がインバータ１５により直流電力に変換され、バッテリ９に充電される。
【００３３】
ここで、上述のステップ１１７におけるターボチャージャ１０が排気ガスＢのみによって駆動されている状態で、車両が高速走行、或いは高負荷走行に変わった場合について説明する。
車両の高速走行或いは高負荷走行においては、排気ガスＢはターボチャージャ１０に対して過給に必要な動力以上の流体エネルギーを有する。その場合、超高速回転機１４を発電機として動作させ、インバータ１５を回生モードで動作させることにより、バッテリ９および車載負荷に電力を供給することができる。この間、発電電動機５は発電を行う必要はない。
【００３４】
このように、ターボチャージャ１０を利用して発電を行い、発電電動機５を休止させることは、下記の効果を奏する。
例えば、１ＫＷの電力を車両に供給する場合、エンジン１の熱効率は１０〜３０％程度しかないので、燃料としては約３〜１０ＫＷのエネルギーを投入する必要がある。ところが、排気ガスＢを用いて超高速回転機１４で発電を行うと、燃焼後の排気ガスＢに残る廃エネルギーを再利用することができる。その結果、発電のために、新たにエネルギーを投入する必要は無く、燃料からみた車両の効率を向上させることができる。
【００３５】
なお、上記図７は、低速走行、低負荷走行が続き、排気ガスＢの流体エネルギーが小さく、あるいは車載負荷の電力消費が大きく、超高速回転機１４だけでは発電量をまかなえない場合の動作を示している。
また、信号や踏切などでエンジン１が停止すれば、発電電動機５の界磁コイル２４への電力の供給が停止される。そして、電力方向切換スイッチ１７がｂ側に接続されていれば、電流検出器３９の検出値が判定値以下となった後、電力方向切換スイッチ１７をａ側に切り換える。そして、エンジン１が再始動されると、上述のステップ１０１以降の動作を繰り返す。
【００３６】
この実施の形態１では、電力方向切換スイッチ１７を用いて、インバータ１５と発電電動機５との接続と、インバータ１５とターボチャージャ１０との接続とを切り換えるようにしているので、発電電動機５およびターボチャージャ１０がインバータ１５を共用でき、インバータ１５の数を削減できる。１２Ｖ系のバッテリ９であれば、大電流配線１６には最大３００Ａクラスの３相電流が流れるため、太い配線となる。また、インバータ１５が発電電動機５のプーリ６と反対側の端面に一体に配設され、かつ発電電動機５がエンジン１の排気側の側面にインバータ１５を超高速回転機１４に近接させて配設されているので、インバータ１５と発電電動機５との間の大電流配線１６の配線長、さらにはインバータ１５と超高速回転機１４との間の大電流配線１６の配線長を短くすることができる。
【００３７】
このように、インバータ数が削減され、かつ大電流配線１６の配線長が短縮されるので、配置スペースの削減、小型軽量化および低価格化が図られる。そこで、狭いエンジンルーム内においても、アイドリングストップシステムと電動アシストターボシステムの双方を搭載することができる。
【００３８】
発電電動機５はエンジン１の動力により駆動され、超高速回転機１４は排気ガスＢにより駆動される。従って、永久磁石のような界磁を消去できないシステムでは、回転子からの逆起電力によって、インバータ１５に常時電圧を発生させてしまう。そして、回転数範囲の広い自動車の用途では、高速域でインバータ１５に発生する電圧が高電圧化してしまうので、高耐圧の電力方向切換スイッチ１７およびインバータ１５を用いる必要がある。さらに、回転子からの逆起電力によって電力方向切換スイッチ１７を流れる電流が生じると、通電状態で電力方向切換スイッチ１７を切り換えることになり、電力方向切換スイッチ１７接点に対してアークが生じるので、耐アーク性の電力方向切換スイッチ１７を用いる必要がある。
【００３９】
この実施の形態１では、発電電動機５および超高速回転機１４を共に界磁制御式の回転電機とし、電力方向切換スイッチ１７の切換時に、発電電動機５および超高速回転機１４の界磁コイル２４，３５への給電を停止し、電力方向切換スイッチ１７に流れる電流がゼロもしくは微弱電流となった後に、電力方向切換スイッチ１７の切換操作を行うようにしている。そこで、回転子からの逆起電力に起因するインバータ１５における電圧の発生が抑制され、電力方向切換スイッチ１７の接点に対してアークの発生が防止される。これにより、電力方向切換スイッチ１７およびインバータ１５の耐圧が下がり、電力方向切換スイッチ１７の耐アークが下がるので、電力方向切換スイッチ１７およびインバータ１５を小型、かつ安価にすることができ、自動車車両への搭載性が高まる。
【００４０】
さらに、発電電動機５の固定子２６の電機子コイル２８に誘起される３相交流電力をインバータ１５を用いて直流電力に変換しているので、３相ダイオードブリッジで構成される整流回路が不要となり、小型、かつ安価な発電電動機５を実現できる。
【００４１】
実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムの電気配線系統を示す概略図である。
図８において、整流回路４１はダイオード１９を直列に接続した３つのセットを並列に配列して３相ダイオードブリッジに構成したものである。この整流回路４１は、ＤＣリンク部に対してインバータ１５と並列に、即ち発電電動機５の３相電力端子とバッテリ９との間にインバータ１５と並列に接続されている。スイッチ４２が整流回路４１とＤＣリンク部との間に配設されている。電力方向切換スイッチ１７は３相全てに設けている。整流回路４１およびスイッチ４２はインバータ１５に隣接して発電電動機５に内蔵されている。なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４２】
つぎに、このように構成された車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおける始動・発電動作を図９に示すフロー図に基づいて説明する。なお、図９中、ステップ２０１〜２１６をＳ２０１〜２１６と示している。
【００４３】
車両停止時において、エンジン１が停止しているものとする。この状態では、電力方向切換スイッチ１７はａ側（発電電動機５側）に接続され、発電電動機５の界磁コイル２４および超高速回転機１４の界磁コイル３５への電力の供給が停止され、スイッチ４２が開放されている。
【００４４】
ステップ２０１において、エンジン１の始動指令があると、ステップ２０２に移行し、電力が発電電動機５の界磁コイル２４に供給される。ついで、インバータ１５のスイッチング素子１８がＯＮ／ＯＦＦ制御され、バッテリ９の直流電力が３相交流電力に変換され、大電流配線１６を介して発電電動機５の電機子コイル２８に供給される（ステップ２０３）。これにより、発電電動機５が電動機として作動し、発電電動機５の回転子２２が回転駆動される。この回転子２２の回転トルクがプーリ３，６およびベルト４を介してエンジン１に伝達され、エンジン１が駆動される。この時、スイッチ４２が開放されているので、整流回路４１のダイオード１９は保護状態となっている。
【００４５】
ステップ２０４において、エンジン１の始動が検知されると、ステップ２０５に移行し、界磁コイル２４への電力の供給を停止する。ついで、電流検出器３９の検出値が判定値以下であるか否かを判定する（ステップ２０６）。ここで、電力方向切換スイッチ１７に流れる電流がゼロ、若しくは微弱電流まで減流されたか否かが判定される。
ステップ２０６において、電流検出器３９の検出値が判定値以下であると判定されると、電力方向切換スイッチ１７をｂ側に接続し（ステップ２０７）、スイッチ４２が接続状態にされる（ステップ２０８）。ついで、電力が発電電動機５の界磁コイル２４に供給される（ステップ２０９）。これにより、エンジン１の回転トルクがプーリ３，６およびベルト４を介して発電電動機５に伝達され、発電電動機５が発電機として動作する。そして、発電電動機５の電機子コイル２８に誘起された交流電力が整流回路４１により直流電力に変換され、バッテリ９に充電される（ステップ２１０）。
【００４６】
ついで、ステップ２１１において、エンジン１の停止指令があるか否かを判定する。そして、エンジン１の停止指令があると、エンジン１が停止される（ステップ２１２）。そして、発電電動機５の界磁コイル２４への電力の供給が停止される（ステップ２１３）。この時点で、超高速回転機１４の界磁コイル３５に電力が供給されていれば、超高速回転機１４の界磁コイル３５への電力の供給も停止される。ついで、電流検出器３９の検出値が判定値以下であるか否かを判定する（ステップ２１４）。ステップ２１４において、電流検出器３９の検出値が判定値以下であると判定されると、電力方向切換スイッチ１７をａ側に接続し（ステップ２１５）、スイッチ４２を開放する（ステップ２１６）。
【００４７】
つぎに、車両が走行している状況（ステップ２１０の状態に相当）で、車両の運転者が急加速を試みた場合の動作について図１０に基づいて説明する。なお、図１０中、ステップ２２０〜２２３をＳ２２０〜２２３と示している。
制御回路４０が超高速回転機１４の動作指令であるアクセルの操作指令などを検知したか否かを判定する（ステップ２２０）。そして、超高速回転機１４の動作指令を検知すると、超高速回転機１４の界磁コイル３５に電力を供給し、かつインバータ１５のスイッチング素子１８をＯＮ／ＯＦＦ制御して、バッテリ９の直流電力を交流電力に変換し、超高速回転機１４の電機子コイル３８に供給する（ステップ２２１）。これにより、超高速回転機１４が駆動され、ターボチャージャ１０の回転数が１００,０００〜２００,０００ｒｐｍとなり、吸気ガスＡの圧縮が行われる。
【００４８】
ついで、超高速回転機１４の動作指令が継続しているか否かを判定する（ステップ２２２）。超高速回転機１４の動作指令が継続していない、即ち、吸気ガスＡの圧縮が満足な状態であると判定すると、ステップ２２３に移行する。そして、ステップ２２３では、超高速回転機１４の界磁コイル３５への電力の供給を停止し、かつインバータ１５のスイッチング素子１８をＯＦＦとし、超高速回転機１４の動作指令を終了する。これにより、ターボチャージャ１０は排気ガスＢによってのみ駆動される。
【００４９】
ここで、上述のステップ２２３におけるターボチャージャ１０が排気ガスＢのみによって駆動されている状態で、車両が高速走行、或いは高負荷走行に変わった場合には、超高速回転機１４を発電機として動作させ、インバータ１５を回生モードで動作させることにより、バッテリ９および車載負荷に電力を供給することができる。
また、信号や踏切などでエンジン１が停止すれば、超高速回転機１４の界磁コイル３５への電力の供給が停止される。そして、電力方向切換スイッチ１７がｂ側に接続されていれば、電流検出器３９の検出値が判定値以下となった後、電力方向切換スイッチ１７をａ側に切り換える。また、エンジン１が再始動されると、上述のステップ２０１以降の動作を繰り返す。
【００５０】
この実施の形態２では、インバータ１５と整流回路４１とをＤＣリンク部に対して並列に接続し、電力方向切換スイッチ１７を用いて、インバータ１５と発電電動機５との接続と、インバータ１５とターボチャージャ１０との接続とを切り換えるようにしている。そこで、吸気ガスＡの過給が必要な時、発電電動機５を発電動作させることで、バッテリ９および発電電動機５の双方から超高速回転機１４に電力を供給することができるので、バッテリ９の負荷が軽くなり、バッテリ９を大型化することなく、ターボ駆動に必要な３００Ａを供給することができる。
【００５１】
また、車載負荷の発電負荷の状況に応じて、超高速回転機１４を発電機として動作させることができる。その場合、発電電動機５、バッテリ９および超高速回転機１４のいずれからも、電力を車載負荷に供給することができるので、車載負荷に対して大電力の供給が可能となる。
また、燃焼後の排気ガスＢに残る廃エネルギーを使用して超高速回転機１４で発電を行うことができるので、発電のために、新たにエネルギーを投入する必要は無く、燃料からみた車両の効率を向上させることができる。
【００５２】
エンジン１の始動時インバータ１５の電流量を減らし、インバータ１５の小型化を図るには、発電電動機５の電機子コイル２８の巻き数を増やすことが有効な手段となる。しかし、電機子コイル２８の巻き数を増やすと、電機子コイル２８のインピーダンスが増加し、高速域における発電量の低下をもたらす。この実施の形態２では、排気ガスＢの流体エネルギーの大きな高速域で、超高速回転機１４で発電することで、高速域での発電電動機５の発電量の低下を補うことができる。従って、発電電動機５を用いたアイドリングストップシステムにおけるインバータ１５の小型化および低価格化を実現できる。
また、発電電動機５がＤＣリンク部にバッテリ９と並列して直結されているので、バッテリ９の大型化を回避することができ、車載スペース削減と低価格化が図られる。
【００５３】
この実施の形態２においても、発電電動機５および超高速回転機１４を共に界磁制御式の回転電機とし、発電電動機５および超高速回転機１４の界磁コイル２４，３５への給電を停止し、電力方向切換スイッチ１７に流れる電流がゼロもしくは微弱電流となった後に、電力方向切換スイッチ１７の切換操作を行うようにしているので、上記実施の形態１と同様に、電力方向切換スイッチ１７およびインバータ１５を小型、かつ安価にすることができ、自動車車両への搭載性が高まる。
【００５４】
実施の形態３．
この実施の形態３では、上記実施の形態１における車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおいて、車両がエンジン始動後にアイドリング待機状態となったときに発電電動機がエンジンアシストするものである。
【００５５】
ここで、オートマチックトランスミッション車（ＡＴ車）では、オートマチックトランスミッションのポジションがパーキング（Ｐ）またはニュートラル（Ｎ）の場合、あるいはオートマチックトランスミッションのポジションがパーキング（Ｐ）→リバース（Ｒ）→ニュートラル（Ｎ）と変更される場合、車両がアイドリング待機状態である、と判断できる。オートマチックトランスミッションのポジションがＰまたはＮの場合、エンジン１の回転トルクがギヤを介してタイヤに伝わることがないので、アイドリング待機状態と判断できる。また、オートマチックトランスミッションのポジションがＮ→Ｒ→Ｐと変更された場合は停車、もしくはアイドリング待機状態であるので、エンジン１が駆動されている状態であれば、アイドリング待機状態であると判断される。
【００５６】
マニュアルトランスミッション車（ＭＴ車）では、シフトレバーのポジションがニュートラル（Ｎ）で、かつサイドブレーキをかけた状態の場合、エンジン１とトランスミッションとが切り離されており、サイドブレーキを掛け、車両が完全に停車状態となるため、アイドリング待機状態であると判断される。なお、制御回路４０は、車両の各種センサからの出力に基づいて、上述のアイドリング待機状態を判断する。
【００５７】
つぎに、この実施の形態３の動作について図１１を参照しつつ説明する。なお、図１１では、ステップ３０１〜３１０をＳ３０１〜３１０としている。
まず、アイドリング待機状態において、超高速回転機１４は停止しているものとする。ステップ３０１において、エンジンアシスト動作指令があると、ステップ３０２に移行し、発電電動機５の界磁コイル２４および超高速回転機１４の界磁コイル３５への給電が停止される。ついで、電流検出器３９の検出値が判定値以下であるか否かを判定する（ステップ３０３）。ステップ３０３において、電流検出器３９の検出値が判定値以下と判定されると、電力方向切換スイッチ１７をａ側に接続する（ステップ３０４）。
【００５８】
ついで、発電電動機５の界磁コイル２４に給電し（ステップ３０５）、バッテリ９の電圧が所定値以下か否かを判定する（ステップ３０６）。ステップ３０６において、バッテリ９の電圧が所定値以下か判定されると、発電電動機５の界磁コイル２４への給電を継続し、発電電動機５による発電を継続する（ステップ３１０）。ステップ３０６において、バッテリ９の電圧が所定値以下を超えていると判定されると、インバータ１５のスイッチング素子１８がＯＮ／ＯＦＦ制御され、バッテリ９の直流電力が３相交流電力に変換され、大電流配線１６を介して発電電動機５の電機子コイル２８に供給される（ステップ３０７）。これにより、発電電動機５は電動機として作動し、回転子２２が回転駆動される。この回転子２２の回転トルクがプーリ３，６およびベルトを介してエンジン１に伝達される。
【００５９】
ついで、発電電動機５の動作指令が継続しているか否かを判定する（ステップ３０８）。ステップ３０８において、発電電動機５の動作指令が継続していると判定されると、ステップ３０６に戻る。また、ステップ３０８において、発電電動機５の動作指令が継続していないと判定されると、インバータ１５のスイッチング素子１８をＯＦＦとし電機子コイル２８への給電が停止され（ステップ３０９）、ステップ３１０に移行する。これにより、発電電動機５が発電機として作動する。そして、スイッチング素子１８がＯＮ／ＯＦＦ制御され、電機子コイル２８に誘起された交流電力が直流電力に変換され、バッテリ９が充電される。
【００６０】
このように、この実施の形態３によれば、エンジンアシストと発電動作とを選択的に使用することで、アイドリング状態での電装部品使用によるバッテリ電圧の低下を防ぐことが可能となり、エンジンアシストシステムによる燃費の向上が可能となる。
なお、上述のエンジンアシスト動作指令は、エンジンを発電電動機５によりアシストする指令であり、この指令により、アイドリング状態にあるエンジン回転を発電電動機５で補助する動作が行われ、アイドリング状態のエンジン負荷を軽減し、燃費の向上を図る。
【００６１】
実施の形態４．
この実施の形態４では、上記実施の形態２における車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおいて、車両がエンジン始動後にアイドリング待機状態となったときに発電電動機がエンジンアシストするものである。アイドリング待機状態の判断は、上記実施の形態３と同様である。この実施の形態４では、発電電動機５をエンジンアシストと発電動作として使用すると共に、超高速回転機１４および発電電動機５の発電動作を選択的に使用することが可能となる。超高速回転機１４と発電電動機５との双方を発電動作させることにより、より急速は発電が可能となり、エンジンアシストシステムを機能する時間を増やすことが可能となり、燃費が向上する。
【００６２】
つぎに、この実施の形態４の動作について図１２および図１３を参照しつつ説明する。なお、図１２および図１３では、ステップ４０１〜４１８をＳ４０１〜４１８としている。
まず、アイドリング待機状態において、超高速回転機１４は停止しているものとする。ステップ４０１において、エンジンアシスト動作指令があると、ステップ４０２に移行し、発電電動機５の界磁コイル２４および超高速回転機１４の界磁コイル３５への給電が停止される。ついで、電流検出器３９の検出値が判定値以下であるか否かを判定する（ステップ４０３）。ステップ４０３において、電流検出器３９の検出値が判定値以下と判定されると、電力方向切換スイッチ１７をａ側に接続し（ステップ４０４）、さらにスイッチ４２を開放する（ステップ４０５）。
【００６３】
ついで、発電電動機５の界磁コイル２４に給電し（ステップ４０６）、バッテリ９の電圧が所定値以下か否かを判定する（ステップ４０７）。ステップ４０７において、バッテリ９の電圧が所定値以下か判定されると、ステップ４１１に移行する。
ステップ４０７において、バッテリ９の電圧が所定値を超えていると判定されると、インバータ１５のスイッチング素子１８がＯＮ／ＯＦＦ制御され、バッテリ９の直流電力が３相交流電力に変換され、大電流配線１６を介して発電電動機５の電機子コイル２８に供給される（ステップ４０８）。これにより、発電電動機５は電動機として作動し、回転子２２が回転駆動される。この回転子２２の回転トルクがプーリ３，６およびベルトを介してエンジン１に伝達される。
【００６４】
ついで、発電電動機５の動作指令が継続しているか否かを判定する（ステップ４０９）。ステップ４０９において、発電電動機５の動作指令が継続していると判定されると、ステップ４０７に戻る。また、ステップ４０９において、発電電動機５の動作指令が継続していないと判定されると、インバータ１５のスイッチング素子１８をＯＦＦとし電機子コイル２８への給電が停止され（ステップ４１０）、ステップ４１１に移行する。
【００６５】
ステップ４１１において、発電電動機５の界磁コイル２４への給電が停止されると、電流検出器３９の検出値が判定値以下であるか否かを判定する（ステップ４１２）。ステップ４１２において、電流検出器３９の検出値が判定値以下と判定されると、電力方向切換スイッチ１７をｂ側に切り換えるか否かを判定する（ステップ４１３）。ステップ４１３において、バッテリ電圧が所定値以上であると電力方向切換スイッチ１７をｂ側に切り換えると判定し、電力方向切換スイッチ１７をｂ側に切り換え（ステップ４１４）、スイッチ４２を閉成し（ステップ４１５）、ステップ４１６に移行する。ステップ４１６において、発電電動機５の界磁コイル２４および超高速回転機１４の界磁コイル３５に給電し、発電電動機５および超高速回転機１４が発電動作する（ステップ４１７）。
【００６６】
ステップ４１３において、バッテリ電圧が所定値より低いと電力方向切換スイッチ１７をｂ側に切り換えないと判定し、ステップ４１８に移行する。ステップ４１８において、発電電動機５の界磁コイル２４に給電し、発電電動機５が発電動作する（ステップ４１９）。
【００６７】
このように、この実施の形態４によれば、発電電動機５のみによる発電動作と、発電電動機５と超高速回転機１４とによる発電動作とを選択することが可能となる。
そして、発電電動機５のみよる発電では、発電電動機５の交流電力をインバータ１５のスイッチング素子１８をＯＮ／ＯＦＦ制御して直流電力に変換しているので、発電効率が改善される。又、発電量が増え、短時間でバッテリ電圧を所定値以上にすることができ、エンジンアシストシステムが機能する時間が増え、燃費が向上する。
発電電動機５と超高速回転機１４とによる発電では、発電電流が分流されるので、発熱が分散され、モジュールの小型化が可能となる。
【００６８】
なお、上記各実施の形態では、インバータ１５が発電電動機５のプーリ６と反対側の端面に一体に配設されているものとしているが、インバータ１５は、発電電動機５のプーリ６と反対側の端面近傍に設けられてもよいし、発電電動機５のプーリ６と反対側のケース内部に一体に設けられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】この発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムの構成を示す概略図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムに適用される電動発電機の構成を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムに適用される超高速回転機の固定子構成を説明する一部破断斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムに適用される超高速回転機の構成を説明する一部破断斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムの電気配線系統を示す概略図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおける始動・発電動作を説明するフロー図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおけるエンジンアシスト動作を説明するフロー図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムの電気配線系統を示す概略図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおける始動・発電動作を説明するフロー図である。
【図１０】この発明の実施の形態２に係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおけるエンジンアシスト動作を説明するフロー図である。
【図１１】この発明の実施の形態３係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおけるエンジンアシスト動作を説明するフロー図である。
【図１２】この発明の実施の形態４係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおけるエンジンアシスト動作を説明するフロー図である。
【図１３】この発明の実施の形態４係る車両用ハイブリッドエンジンアシストシステムにおけるエンジンアシスト動作を説明するフロー図である。
【国際調査報告】
2008059681.tif 000016
2008059681.tif 000017
2008059681.tif 000018