(57)【要約】【課題】広い運転領域で効率よく発電を行う発電装置を提供する。【解決手段】エンジン１の吸気通路４に介装された容量可変型の膨張機５と、膨張機５に駆動されて発電を行う発電機７と、エンジン１の吸入空気量を検出もしくは推定する吸入空気量検知手段１１と、検知した吸入空気量に応じて発電機７の回転速度が所定範囲内の回転速度となるように膨張機５の容量を制御する制御手段１１とを備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの吸気通路に介装された容量可変型の膨張機と、
前記膨張機に駆動されて発電を行う発電機と、
エンジンの吸入空気量を検出もしくは推定する吸入空気量検知手段と、
検知した吸入空気量に応じて前記発電機の回転速度が所定範囲内の回転速度となるように前記膨張機の容量を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするエンジンの発電システム。
【請求項２】
前記所定範囲は、前記発電機の発電効率が高い状態で安定する範囲である請求項１に記載のエンジンの発電システム。
【請求項３】
エンジンの回転速度を検知するエンジン回転速度検知手段を備え、
前記吸入空気量検知手段が吸入空気量の推定に用いるパラメータとしてエンジン回転速度を含む請求項１または２に記載のエンジンの発電システム。
【請求項４】
エンジンの負荷を検知するエンジン負荷検知手段を備え、
前記吸入空気量検知手段が吸入空気量の推定に用いるパラメータとしてエンジン負荷を含む請求項１〜３のいずれか一つに記載のエンジンの発電システム。
【請求項５】
前記制御手段は、吸入空気量を現在の膨張機の容量で除算することによって前記発電機の回転速度を算出し、前記発電機の回転速度が前記所定範囲から外れている場合は、所定範囲内となるように膨張機の容量を制御する請求項１〜４のいずれか一つに記載のエンジンの発電システム。
【請求項６】
前記膨張機は可変ノズルを備える排気タービン式膨張機であり、
前記制御手段は、前記可変ノズルの開度を変化させることによって膨張機の容量を制御する請求項１〜５のいずれか一つに記載のエンジンの発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸気通路に設けた膨張機を吸入負圧によって回転させることによって、膨張機に接続した発電機を駆動して発電を行う発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンのトルクを増大させるために、吸気通路に過給機を設けることによってエンジンへ供給する空気量を増加させる技術が知られている。
【０００３】
特許文献１には、発電機能を備える電動機によって駆動される過給機を吸気通路に設け、トルク増大の必要がある運転状態においては電動機により過給機を駆動して過給を行い、過給の必要がない運転状態においては、吸入負圧によって過給機を回転させ、これによって電動機を回転させることによって発電を行う発電システムが開示されている。
【特許文献１】特開２００２−３５７１２７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のシステムでは容量が固定されている過給機を用いているので、エンジンの運転状態が様々に変化する場合には、必ずしも効率の良い発電を行えるとは限らない。
【０００５】
例えば、エンジンが高回転運転時であって要求負荷が大きい場合には、エンジンの吸入空気量が多くなることによって過給機の回転速度が高くなり、発電機の回転速度が発電効率の高い領域から外れてしまう場合が生じ得る。
【０００６】
また、上記とは逆に、吸入空気量が少ないために、発電機の回転速度が発電効率の高い領域に達しない場合も生じ得る。
【０００７】
そこで、本発明では、様々に変化する運転状態に応じて、効率よく発電を行うことを可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のエンジンの発電システムは、エンジンの吸気通路に介装された容量可変型の膨張機と、前記膨張機に駆動されて発電を行う発電機と、エンジンの吸入空気量を検出もしくは推定する吸入空気量検知手段と、検知した吸入空気量に応じて前記発電機の回転速度が所定範囲内の回転速度となるように前記膨張機の容量を制御する制御手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、吸入空気量に応じて膨張機の容量を可変に制御することが可能なので、例えば、吸入空気量が少ないときには膨張機の容量を小さくし、吸入空気量が多いときには膨張機の容量を大きくする、といった制御が可能となり、これにより発電機は幅広い運転領域で高い発電効率で発電することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は本実施形態を適用するシステムの構成の概略を表す図である。
１はエンジン、２はエンジン１の各気筒に吸気を分配する吸気マニホールド、３は各気筒の排気を集合させる排気マニホールド、４は図示しないエアダクトから導入した吸気を吸気マニホールド２に供給する吸気通路、５は吸気通路４に介装した容量可変型の膨張機である。
【００１２】
膨張機５にはシャフト６を介して発電機７を接続している。膨張機５がエンジン１の吸入負圧によって回転し、この回転がシャフト６を介して伝達されて発電機７も回転して発電を行う。発電された電力はバッテリ８に蓄えられる。
【００１３】
なお、発電機７は膨張機５を駆動する電動機としての機能も備え、車両発進時や加速時等の高トルクが必要な場合にはバッテリ８に蓄えた電力により駆動し、膨張機５を過給機として機能させることができる。
【００１４】
シャフト６の近傍には回転センサ９を設け、これにより膨張機５、発電機７の回転速度を検出する。
【００１５】
検出した回転速度はコントロールユニット（ＥＣＵ）１１に読み込まれる。ＥＣＵ１１には他にもエンジン回転速度検知手段としてのクランク角センサ１０やエンジン負荷検知手段としてのアクセル開度センサ等の検出値も読み込まれ、これらに基づいて吸入空気量検知手段として吸入空気量の推定や、発電機７を発電機もしくは電動機のいずれとして機能させるかといった判断や、後述する膨張機５の容量の決定を行う。
【００１６】
ここで、膨張機５について、その一例を表す図である図２を参照して説明する。
【００１７】
１３は吸気通路４を流れる吸気が吹き付けられることによって回転するタービン、１２はタービン１３の外周を囲うように形成された吸気経路、１４は吸気経路１２に回動可能に設けられた可変ノズル、１５は入口部である。なお、図示しない出口部がタービン１３の回転軸１３ａと略同軸に紙面手前側に向けて開口しており、この出口部は吸気通路４と接続されている。
【００１８】
入口部１５から導入された吸気は、吸気経路１２を通ってタービン１３に吹き付けられ、出口部から吸気通路４へと流れ、エンジン１に供給される。
【００１９】
すべての可変ノズル１４は図示しないモータ等のアクチュエータによって同期した状態で開閉駆動され、吸気の流路面積を変更する。これによりタービン１３に吹き付けられる吸気の流速を可変に制御し、タービン１３の回転速度、つまり膨張機５の容量を可変に制御することが可能となる。
【００２０】
タービン１３の回転軸１３ａはシャフト６に接続されているので、膨張機５の容量を可変に制御することによって、発電機７の回転速度を可変に制御することが可能となる。
【００２１】
次に、ＥＣＵ１１が実行する膨張機５の容量の制御について図３に示すフローチャートを参照して説明する。
【００２２】
ＥＣＵ１１は、エンジン１の運転状態によらず、常に発電機７が高効率で発電を行うように膨張機５の容量を制御する。なお、図３のフローチャートは例えば１０ｍｓ程度のサイクルで繰り返し実行する。
【００２３】
以下、フローチャートのステップに従って説明する。
【００２４】
ステップＳ１ではクランク角１０の検出値からエンジン回転速度Ｎｅを求める。
【００２５】
ステップＳ２では、図４に示すマップを用いて、アクセル開度ＡＰＯとエンジン回転速度Ｎｅからエンジンの負荷（要求トルク）Ｔｅを求める。
【００２６】
ステップＳ３では、エンジン回転速度Ｎｅと要求負荷Ｔｅから以下の方法によって１秒間あたりのエンジン吸入空気量Ｑａを求める。
【００２７】
まず、下式（１）によって１気筒当たり充填すべき吸気量Ｑｃｙｌを求める。
【００２８】
Ｑｃｙｌ＝Ｋ×Ｔｅ      ・・・（１）
ただしＫ：係数
次に、上記の１気筒当たり充填すべき吸気量Ｑｃｙｌを用いて下式（２）によって１秒間あたりのエンジン吸入空気量Ｑａを求める。
【００２９】
Ｑａ＝Ｑｃｙｌ×（Ｎｃｙｌ／２）×（Ｎｅ／６０）      ・・・（２）
ただしＱｃｙｌ：１気筒当たり充填すべき吸気量
Ｎｅ：エンジン回転速度
Ｔｅ：要求負荷
Ｎｃｙｌ：気筒数
なお、エンジン回転速度Ｎｅ、要求負荷Ｔｅおよびエンジン吸ニュートラル空気量Ｑａの関係を予めマップ化しておき、これを検索することによって求めてもよい。
【００３０】
ステップＳ４では発電機７の予想回転速度Ｎｇを下記の方法により求める。
【００３１】
膨張機５の１回転当たりの吸込量を膨張機５の容量Ｑｇとすると、エンジン吸入空気量Ｑａと膨張機５の容量Ｑｇには下式（３）のような関係がある。
【００３２】
Ｑａ＝Ｑｇ×（Ｎｇ／６０）      ・・・（３）
ただしＮｇ：発電機回転速度
そこで、式（３）を変形して得られる下式（４）に、現在の膨張機５の容量Ｑｇおよびエンジン吸入空気量Ｑａを代入することによって発電機７の予想回転速度Ｎｇを求めることができる。
【００３３】
Ｎｇ＝Ｑａ／Ｑｇ      ・・・（４）
ステップＳ５では、発電機７の予想回転速度Ｎｇが、後述する上限値Ｎｍａｘより低いか否かを判定する。
【００３４】
ここで、発電機７の発電効率について説明する。発電機７の回転速度と発電効率は、図５に示すように、所定の回転速度までは回転速度の上昇と共に発電効率も高くなるが、それ以上の回転速度では発電効率は徐々に低下するという関係を有する。
【００３５】
前述したように、本実施形態では、発電機７が運転状態によらずに、高い発電効率で発電できるように制御することを目的としている。そこで、高い発電効率であって、かつ回転速度の変化に対する発電効率の変化が小さい部分、例えば２１００ｒｐｍを最適基本回転速度として設定する。そこから低回転側、高回転側にそれぞれ所定の範囲（コントロール範囲）を設けて、回転速度がコントロール範囲内になるようにする。このコントロール範囲の下限をＮｍｉｎ、上限をＮｍａｘとする。Ｎｍｉｎ、Ｎｍａｘは例えばそれぞれ約１７００ｒｐｍ、約２７００ｒｐｍとする。
【００３６】
ステップＳ５で予想回転速度Ｎｇが上限値Ｎｍａｘより高かった場合にはステップＳ６に進み、低かった場合にはステップＳ７に進む。
【００３７】
ステップＳ６では、膨張機５の容量Ｑｇが大きくなるように可変ノズル１４の開度を変更する。このとき、今回演算時の容量Ｑｇｎが前回演算時の容量Ｑｇｎ−１よりも一定量ΔＱｇだけ大きくなるようにしてもよいし、予め設定した変化量ΔＱｇを上限値Ｎｍａｘと予想回転速度Ｎｇとの差に応じて補正し、その分だけ大きくしてもよい。
【００３８】
ステップＳ７では予想回転速度Ｎｇが下限値Ｎｍｉｎより低いか否かを判定する。低かった場合にはステップＳ８に進み、高かった場合にはリターンする。
【００３９】
ステップＳ８では、膨張機５の容量Ｑｇが小さくなるように可変ノズル１４の開度を変更する。ここではステップＳ６と同様に、今回演算時の容量Ｑｇｎが前回演算時の容量Ｑｇｎ−１よりも一定量ΔＱｇだけ小さくなるようにしてもよいし、予め設定した変化量ΔＱｇを下限値Ｎｍｉｎと予想回転速度Ｎｇとの差に応じて補正し、その分だけ小さくしてもよい。
【００４０】
ステップＳ５〜Ｓ８を繰り返すことにより、発電機７の予想回転速度Ｎｇは最適基本回転速度に近づく。
【００４１】
上記の制御により、エンジン１の運転状態の変化に伴って吸入空気量Ｑａが変化した場合にも、これに応じて可変ノズル１４の開度を変更し、発電機７の回転速度を発電効率が高い回転速度にすることができるので、エンジンの運転状態によらずに常に高い発電効率を保つことができる。
【００４２】
なお、ステップＳ５で予想回転速度Ｎｇと最適基本回転速度とを比較し、ステップＳ７で予想回転速度Ｎｇと最適基本回転速度とを比較してもよい。
【００４３】
以上により本実施形態では、エンジン１の回転速度および負荷から推定した吸入空気量を、現在の膨張機５の容量で除算することによって膨張機５の回転速度、つまり発電機７の回転速度を算出し、この発電機７の回転速度が高い発電効率を確保できる回転領域内に収まるように膨張機５の容量を制御するので、発電機７は幅広い運転領域で高い発電効率で発電することが可能となる。
【００４４】
第２実施形態について説明する。
【００４５】
本実施形態のシステムの構成は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００４６】
次に本実施形態の制御について、図６のフローチャートを参照して説明する。
【００４７】
図６のステップＳ１１〜Ｓ１３は図３のステップＳ１〜Ｓ３と同様である。
【００４８】
ステップＳ４では膨張機５の最適ノズル角度を求める。最適ノズル角度とは、ある吸気量に対して、膨張機５が最も効率よく発電機７を回転させることができるノズル角度である。吸気量と最適ノズル角度との関係は、図７に示すように、吸気量に比例して最適ノズル角度が大きくなっている。
【００４９】
ステップＳ１５では現在のノズル角度θｎを求める。ノズル角度はＥＣＵ１１が制御しているので、メモリ等に格納してあるデータを読み込めばよい。
【００５０】
ステップＳ１６では、現在のノズル角度θｎが最適ノズル角度より大きいか否かを判定する。大きい場合にはステップＳ１７へ、小さい場にはステップＳ１８に進む。
【００５１】
ステップＳ１７では、ノズル角度を一定量Δθだけ小さくする。なお、予め変化量Δθを設定しておき、これを現在のノズル角度θｎと最適ノズル角度との差に応じて補正し、その分だけ小さくしてもよい。
【００５２】
ステップＳ１８では現在のノズル角度θｎが最適角度より小さいか否かを判定する。小さい場合にはステップＳ１９に進み、大きい場合にはリターンする。
【００５３】
ステップＳ１９では、ノズル角度を一定量Δθだけ大きくする。なお、予め変化量Δθを設定しておき、これを現在のノズル角度θｎと最適ノズル角度との差に応じて補正し、その分だけ大きくしてもよい。
【００５４】
ステップＳ１６〜Ｓ１９を繰り返すことにより、ノズル角度は最適ノズル角度に近づく。
【００５５】
上記制御により、エンジン１の運転状態の変化に伴って吸入空気量Ｑａが変化した場合にも、これに応じて可変ノズル１４の開度を変更し、膨張機５が発電機７を高い発電効率で回転させるようにできるので、エンジンの運転状態によらずに常に高い発電効率を保つことができる。
【００５６】
なお、図８に示すように最適ノズル角度を中心として許容範囲（コントロール範囲）を設け、ステップＳ１６では現在のノズル角度θｎと上限値とを比較し、ステップＳ１８では現在のノズル角度θｎと下限値とを比較してもよい。
【００５７】
以上により本実施形態では、現在の吸入空気量において、膨張機５が最も効率よく発電機７を回転させることができるようにノズル角度を制御するので、結果として発電機７は高い発電効率で発電を行うことが可能となる。
【００５８】
なお、第１、２実施形態ではタービン式の膨張機５を用いているが、これに限られるわけではなく、吸気量に応じて発電機７の回転速度を可変制御できるものであればよい。
【００５９】
また、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、吸入空気を利用して発電機を駆動する発電システムに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本実施形態のシステム構成を表す図である。
【図２】可変容量型膨張機の作動を説明するための図である。
【図３】第１実施形態の制御を表すフローチャートである。
【図４】アクセル開度とエンジン回転速度からエンジン要求トルクを求めるためのマップである。
【図５】本実施形態で使用する発電機の発電効率マップである。
【図６】第２実施形態の制御を表すフローチャートである。
【図７】膨張機の最適ノズル角度マップである。
【図８】ノズル角度マップの別の例である。
【符号の説明】
【００６２】
１    エンジン
２    吸気マニホールド
３    排気マニホールド
４    吸気通路
５    膨張機
６    シャフト
７    発電機
８    バッテリ
９    回転センサ
１０  クランク角センサ
１１  コントロールユニット（ＥＣＵ）
１２  吸気通路
１３  タービン
１４  可変ノズル
１５  入口部
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006161562.tif 000005
【図６】
2006161562.tif 000006
【図７】
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【図８】
2006161562.tif 000008
【図１】
2006161562.tif 000009
【図２】
2006161562.tif 000010