(57)【要約】【課題】排気タービンからのエネルギ回収をより効率的に行う。【解決手段】内燃機関のエネルギ回生装置は、フライホイール９と、排気タービン４と、フライホイールと排気タービンとの間の第１のクラッチ８と、内燃機関とフライホイールとの間の第２のクラッチ１１及び変速機１２と、第１のクラッチ、第２のクラッチ、及び変速機を制御して、機関負荷があらかじめ定められた設定負荷よりも低いときであって、機関回転数があらかじめ定められた設定回転数よりも低いときには内燃機関からフライホイールにエネルギを回収するとともに、機関回転数が設定回転数よりも高いときには排気タービンからフライホイールにエネルギを回収し、機関負荷が設定負荷よりも高いときにはフライホイールから内燃機関にエネルギを放出する、ように構成されている制御器１６と、を備える。【選択図】図１
2019152183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のエネルギ回生装置であって、
回転エネルギの形でエネルギを蓄えるとともに蓄えているエネルギを放出するように構成されているフライホイールと、
前記内燃機関の排気通路内に配置された排気タービンと、
前記内燃機関の出力軸と前記フライホイールの回転軸との間で相互に動力伝達可能に構成されている第１の動力伝達機構と、
前記排気タービンの出力軸から前記フライホイールの回転軸へ動力伝達可能に構成されている第２の動力伝達機構と、
前記第１の動力伝達機構及び前記第２の動力伝達機構を制御して、機関負荷があらかじめ定められた設定負荷よりも低いときであって、機関回転数があらかじめ定められた設定回転数よりも低いとき又は車速があらかじめ定められた設定速度よりも低いときには前記内燃機関の出力軸から前記フライホイールの回転軸に動力伝達して前記フライホイールにエネルギを回収するとともに、機関回転数が前記設定回転数よりも高いとき又は車速が前記設定速度よりも高いときには前記排気タービンの出力軸から前記フライホイールの回転軸に動力伝達して前記フライホイールにエネルギを回収し、機関負荷が前記設定負荷よりも高いときには前記フライホイールの回転軸から前記内燃機関の出力軸に動力伝達して前記フライホイールから前記内燃機関にエネルギを放出する、ように構成されている制御器と、
を備えた、内燃機関のエネルギ回生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関のエネルギ回生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のエネルギ回生装置であって、回転エネルギの形でエネルギを蓄えるとともに蓄えているエネルギを放出するように構成されているフライホイールと、内燃機関の排気通路内に配置された排気タービン及び内燃機関の吸気通路内に配置されたコンプレッサを含む過給機と、を備えた、内燃機関のエネルギ回生装置が公知である（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、機関低負荷運転時に排気エネルギを十分に回収できないとの理由から、機関高負荷運転時に排気タービンの出力軸からフライホイールの回転軸に動力伝達してフライホイールにエネルギを回収し、機関低負荷運転時にフライホイールの回転軸から内燃機関の出力軸に動力伝達してフライホイールから内燃機関にエネルギを放出するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１２８６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、機関低負荷運転時であるというだけで、ただちに排気エネルギの回収が困難になるわけではない。したがって、特許文献１のようにエネルギ回収を行うか否かを機関負荷のみに基づいて判断すると、排気タービンからのエネルギ回収を効率的に行うことができないおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、内燃機関のエネルギ回生装置であって、回転エネルギの形でエネルギを蓄えるとともに蓄えているエネルギを放出するように構成されているフライホイールと、前記内燃機関の排気通路内に配置された排気タービンと、前記内燃機関の出力軸と前記フライホイールの回転軸との間で相互に動力伝達可能に構成されている第１の動力伝達機構と、前記排気タービンの出力軸から前記フライホイールの回転軸へ動力伝達可能に構成されている第２の動力伝達機構と、前記第１の動力伝達機構及び前記第２の動力伝達機構を制御して、機関負荷があらかじめ定められた設定負荷よりも低いときであって、機関回転数があらかじめ定められた設定回転数よりも低いとき又は車速があらかじめ定められた設定速度よりも低いときには前記内燃機関の出力軸から前記フライホイールの回転軸に動力伝達して前記フライホイールにエネルギを回収するとともに、機関回転数が前記設定回転数よりも高いとき又は車速が前記設定速度よりも高いときには前記排気タービンの出力軸から前記フライホイールの回転軸に動力伝達して前記フライホイールにエネルギを回収し、機関負荷が前記設定負荷よりも高いときには前記フライホイールの回転軸から前記内燃機関の出力軸に動力伝達して前記フライホイールから前記内燃機関にエネルギを放出する、ように構成されている制御器と、を備えた、内燃機関のエネルギ回生装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
排気タービンからのエネルギ回収をより効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明による実施例の内燃機関のエネルギ回生装置の全体図である。
【図２】本発明による実施例のエネルギ回生制御を実行するためのフローチャートである。
【図３】本発明による別の実施例の内燃機関のエネルギ回生装置の全体図である。
【図４】本発明による別の実施例のエネルギ回生処理を実行するためのフローチャートである。
【図５】本発明による別の実施例のエネルギ回生処理を実行するためのフローチャートである。
【図６】本発明による別の実施例のエネルギ回生処理を実行するためのフローチャートである。
【図７】領域Ｌを示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は本発明による実施例の内燃機関のエネルギ回生装置を示している。図１を参照すると、内燃機関１は排気管２を備える。排気管２から高圧管３が分岐しており、高圧管３は排気タービン４のガス入口に連結される。排気タービン４のガス出口は低圧管５を介して排気管２に連結される。また、排気タービン４に流入する排気ガスの量を制御するための電磁式排気制御弁６が設けられる。図１に示される例では、高圧管３に排気制御弁６が設けられる。
【０００９】
排気タービン４の出力軸７は第１の電磁式クラッチ８を介してフライホイール９の回転軸１０に連結される。フライホイール９は、回転エネルギの形でエネルギを蓄えるとともに蓄えているエネルギを放出するように構成されている。なお、一般に、内燃機関１のクランクシャフトにはフライホイールが取り付けられているけれども、フライホイール９はクランクシャフトに取り付けられたフライホイールとは別個に設けられるものである。また、本発明による実施例では、排気タービン４の出力軸７は、機関吸気通路内に配置されたコンプレッサに連結されておらず、排気タービン４はターボチャージャとは異なるものである。
【００１０】
フライホイール９の回転軸１０は更に、第２の電磁式クラッチ１１を介して変速機又は増減速装置１２の第１の回転軸１３に連結される。変速機１２の第２の回転軸１４は内燃機関の１の出力軸又はクランクシャフト１５に連結される。変速機１２は、第１の回転軸１３及び第２の回転軸１４のうちの一方に入力された動力を、第１の回転軸１３及び第２の回転軸１４のうちの他方に、変速比を変更可能に伝達する、ように構成されている。変速機１２は例えば無段変速機（ＣＶＴ）から構成される。
【００１１】
制御器又は電子制御ユニット１６はデジタルコンピュータからなり、互いに接続されたプロセッサ、メモリ、及び入出力ポートを備える。排気タービン４には排気タービン４の回転数を検出するためのタービン回転数センサが設けられており、タービン回転数センサの出力が入出力ポートを介して制御器１６に入力される。また、フライホイール９にはフライホイール９の回転数を検出するためのフライホイール回転数センサが設けられており、フライホイール回転数センサの出力が入出力ポートを介して制御器１６に入力される。更に、アクセルペダルにはアクセルペダルの踏み込み量、すなわちアクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ２０が接続されており、アクセル開度センサ２０の出力が入出力ポートを介して制御器１６に入力される。アクセル開度は機関負荷を表しており、アクセル開度センサ２０は負荷センサとして機能する。更に、内燃機関１の出力軸又はクランクシャフト１５には出力軸１５があらかじめ定められた角度だけ回転するごとにパルスを発生するクランク角センサ２１が設けられており、クランク角センサ２１の出力が入出力ポートを介して制御器１６に入力される。プロセッサではクランク角センサ２１の出力に基づいて機関回転数が算出される。一方、制御器１６からの制御信号が入出力ポートを介して排気制御弁６、第１のクラッチ８、第２のクラッチ１１、及び変速機１２にそれぞれ出力される。なお、制御器１６のメモリに記憶されたプログラムが制御器１６のプロセッサで実行されることにより、種々の制御が実行される。
【００１２】
さて、本発明による実施例のエネルギ回生制御では、エネルギ回収処理とエネルギ放出処理とが行われる。なお、本発明による実施例のエネルギ回生制御は、制御器１６のメモリに記憶されているプログラムが制御器１６のプロセッサで実行されることにより、実行される。
【００１３】
本発明による実施例のエネルギ回収処理には、排気タービン４からのエネルギ回収と内燃機関１からのエネルギ回収とが含まれる。排気タービン４からのエネルギ回収を行うべきときには、第１のクラッチ８がオン又は連結状態とされ、第２のクラッチ１１がオフ又は非連結状態とされ、排気タービン４に排気ガスが流入するように排気制御弁６が制御される。その結果、排気ガスによって回転駆動される排気タービン４の出力軸７からフライホイール９の回転軸１０に動力が伝達される。したがって、フライホイール９が回転され、又はフライホイール９の回転数が高められる。このようにして、フライホイール９にエネルギが回転エネルギの形で蓄えられる。一方、内燃機関１からのエネルギ回収を行うべきときには、第１のクラッチ８がオフとされ、第２のクラッチ１１がオンとされる。その結果、内燃機関１の出力軸１５からフライホイール９の回転軸１０に動力が伝達され、フライホイール９にエネルギが回転エネルギの形で蓄えられる。このとき、変速機１２の変速比は、内燃機関１の出力軸１５からフライホイール９の回転軸１０への動力伝達に適した変速比に制御される。また、排気タービン４に排気ガスが流入しないように排気制御弁６が制御される。
【００１４】
一方、エネルギ放出処理を行うべきときには、第１のクラッチ８がオフとされ、第２のクラッチ１１がオンとされる。その結果、フライホイール９の回転軸１０から内燃機関１の出力軸１５に動力が伝達される。したがって、内燃機関１の出力又は回転速度が高められる。このようにして、フライホイール９に蓄えられているエネルギが放出される。このとき、変速機１２の変速比は、フライホイール９の回転軸１０から内燃機関１の出力軸１５への動力伝達に適した変速比に制御される。また、排気タービン４に排気ガスが流入しないように排気制御弁６が制御される。
【００１５】
本発明による実施例のエネルギ回収処理及びエネルギ放出処理では、回転（運動）エネルギが回転（運動）エネルギのまま回収され放出される。すなわち、例えば電気エネルギなど、他のエネルギへの変換がない。したがって、エネルギを効率よく回収し放出することができる。
【００１６】
本発明による実施例では、機関負荷があらかじめ定められた設定負荷よりも低い低負荷運転時にエネルギ回収処理、すなわち排気タービン４からのエネルギ回収と内燃機関１からのエネルギ回収とのうちのいずれか一方、が行われる。したがって、例えばアイドリング運転時や減速運転時といった機関出力要求が比較的小さいときにエネルギ回収処理が行われるので、エネルギを効果的に回収することができる。一方、本発明による実施例では、機関負荷が設定負荷よりも高い高負荷運転時にエネルギ放出処理が行われる。したがって、機関出力要求が比較的高いときにエネルギ放出処理が行われるので、エネルギを有効に利用することができる。なお、一例では、アクセル開度がゼロのときが低負荷運転であり、アクセル開度がゼロよりも大きいときが高負荷運転である。
【００１７】
本発明による実施例のエネルギ回収処理について更に説明する。本発明による実施例では、機関回転数があらかじめ定められた設定回転数よりも低い低回転運転時に内燃機関１からのエネルギ回収が行われ、機関回転数が設定回転数よりも高い高回転運転時に排気タービン４からのエネルギ回収が行われる。低回転運転時には排気管２内を流れる排気ガスの量が比較的少なく、排気管２内の圧力（内燃機関背圧）が比較的低いので、排気タービン４を良好に回転駆動することができないおそれがあるのに対し、高回転運転時には排気ガス量が比較的多く、排気管２内の圧力が比較的高いので、排気タービン４を良好に回転駆動ができるからである。また、低回転運転時に内燃機関１の駆動軸１５がフライホイール９に連結されるので、機関トルク変動に伴う振動及び騒音を低減することができる。
【００１８】
別の実施例では、内燃機関１を搭載した車両の速度、すなわち車速があらかじめ定められた設定速度よりも低い低速運転時に内燃機関１からのエネルギ回収が行われ、車速が設定速度よりも高い高速運転時に排気タービン４からのエネルギ回収が行われる。車速が低いときには車速が高いときに比べて排気ガス量が少ないからである。なお、この場合には、車速を検出するための車速センサが設けられており、車速センサの出力が制御器１６に入力される。
【００１９】
したがって、第１のクラッチ８により第１の動力伝達機構が構成され、第２のクラッチ１１及び変速機１２により第２の動力伝達機構が構成されると考えると、本発明による実施例の内燃機関のエネルギ回生装置は、回転エネルギの形でエネルギを蓄えるとともに蓄えているエネルギを放出するように構成されているフライホイールと、内燃機関の排気通路内に配置された排気タービンと、内燃機関の出力軸とフライホイールの回転軸との間で相互に動力伝達可能に構成されている第１の動力伝達機構と、排気タービンの出力軸からフライホイールの回転軸へ動力伝達可能に構成されている第２の動力伝達機構と、第１の動力伝達機構及び第２の動力伝達機構を制御して、機関負荷があらかじめ定められた設定負荷よりも低いときであって、機関回転数があらかじめ定められた設定回転数よりも低いとき又は車速があらかじめ定められた設定速度よりも低いときには内燃機関の出力軸からフライホイールの回転軸に動力伝達してフライホイールにエネルギを回収するとともに、機関回転数が設定回転数よりも高いとき又は車速が設定速度よりも高いときには排気タービンの出力軸からフライホイールの回転軸に動力伝達してフライホイールにエネルギを回収し、機関負荷が設定負荷よりも高いときにはフライホイールの回転軸から内燃機関の出力軸に動力伝達してフライホイールから内燃機関にエネルギを放出する、ように構成されている制御器と、を備えている、ということになる。
【００２０】
図２は本発明による実施例のエネルギ回生制御を行うためのルーチンを示している。図２を参照すると、ステップ１００では停止処理が実行される。本発明による実施例の停止処理では、第１のクラッチ８及び第２のクラッチ１１がオフとされ、排気タービン４に排気ガスが流入しないように排気制御弁６が制御される。続くステップ１０１では低負荷運転が行われているか否かが判別される。低負荷運転が行われているときには次いでステップ１０２に進み、低回転運転が行われているか否かが判別される。低回転運転が行われているときには次いでステップ１０３に進み、内燃機関１からのエネルギ回収が行われる。これに対し、高回転運転が行われているときにはステップ１０２からステップ１０４に進み、排気タービン４からのエネルギ回収が行われる。これに対し、高負荷運転が行われているときにはステップ１０１からステップ１０５に進み、エネルギ放出処理が行われる。
【００２１】
ただし、本発明による実施例では、エネルギ回収処理を行うべきときに、エネルギ回収条件が成立しているか否かが判別され、エネルギ回収条件が成立していると判別されたときにはエネルギ回収処理が行われ、エネルギ回収条件が成立していないと判別されたときには、エネルギ回収処理が行われない。一例では、エネルギ回収条件は、フライホイール９の回転数があらかじめ定められた許容上限よりも低い、ということである。フライホイール９の回転数はフライホイール９に蓄えられているエネルギの量を表しており、フライホイール９の回転数が許容上限よりも高いときには、フライホイール９に十分なエネルギが既に蓄えられているからである。一方、エネルギ放出処理を行うべきときに、エネルギ放出条件が成立しているか否かが判別され、エネルギ放出条件が成立していると判別されたときにはエネルギ放出処理が行われ、エネルギ放出条件が成立していないと判別されたときには、エネルギ放出処理が行われない。一例では、エネルギ放出条件は、フライホイール９の回転数があらかじめ定められた許容下限よりも高い、ということである。フライホイール９の回転数が許容下限よりも低いときには、排気タービン４を駆動するのに十分なエネルギがフライホイール９に蓄えられていないからである。
【００２２】
別の実施例（図示しない）では、排気タービン４の出力軸７とフライホイール９の回転軸１０との間に別の変速機が設けられる。その結果、フライホイール９の回転数に対する排気タービン４の回転数の比を変更することができる。なお、図１に示される実施例では、フライホイール９の回転数に対する排気タービン４の回転数の比は１である。
【００２３】
図３は本発明による別の実施例の内燃機関のエネルギ回生装置を示している。図３に示される例は、フライホイール９の回転軸１０に排気タービン４の出力軸が連結されていない点で、図１に示される例と構成を異にしている。
【００２４】
図４から図６は、図３に示されるエネルギ回生装置のエネルギ回生制御を行うためのルーチンを示している。図４から図６を参照すると、ステップ２００では下限回転数Ｎｗｍｉｎが例えば機関回転数に基づいて設定される。続くステップ２０１では、機関負荷及び機関回転数により定まる機関運転状態が低負荷低回転の領域Ｌ内に属しているか否かが判別される。この領域Ｌの一例が図７に示されている。機関運転状態が領域Ｌ内に属していると判別されたときには次いでステップ２０２に進み、フライホイール９の回転数Ｎｗが上限回転数Ｎｗｍａｘよりも低いか否かが判別される。Ｎｗ＜Ｎｗｍａｘのときには次いでステップ２０３に進み、エネルギ回収処理が行われる。具体的には、クラッチ１１がオンにされ、変速機１２の変速比が、内燃機関１の出力軸１５からフライホイール９の回転軸１０への動力伝達に適した変速比に制御される。続くステップ２０４では、フライホイール９の回転数Ｎｗが上限回転数Ｎｗｍａｘよりも低いか否かが判別される。Ｎｗ＜Ｎｗｍａｘのときには次いでステップ２００に戻る。
【００２５】
ステップ２０２又はステップ２０４においてＮｗ≧Ｎｗｍａｘのときには次いでステップ２０５に進み、フライホイール９の回転数Ｎｗが下限回転数Ｎｗｍｉｎよりも高いか否かが判別される。Ｎｗ＞Ｎｗｍｉｎのときには次いでステップ２０６に進み、エネルギ放出処理が行われる。具体的には、クラッチ１１がオンにされ、変速機１２の変速比が、フライホイール９の回転軸１０から内燃機関１の出力軸１５への動力伝達に適した変速比に制御される。次いでステップ２０５に戻る。これに対し、ステップ２０５においてＮｗ≦Ｎｗｍｉｎのときには次いでステップ２００に戻る。したがって、フライホイール９の回転数Ｎｗが下限回転数Ｎｗｍｉｎ以下になるまでエネルギ放出処理が継続される。
【００２６】
ステップ２０１において、機関運転状態が領域Ｌに属していないと判別されたときには次いでステップ２０７に進み、機関運転状態が領域Ｌ内に属しているか否かが判別される。機関運転状態が領域Ｌ内に属していないと判別されたときには次いでステップ２０８に進み、フライホイール９の回転数Ｎｗが下限回転数Ｎｗｍｉｎよりも高いか否かが判別される。Ｎｗ＞Ｎｗｍｉｎのときには次いでステップ２０９に進み、ステップ２０６と同様にエネルギ放出処理が行われる。これに対し、ステップ２０８においてＮｗ≦Ｎｗｍｉｎのときには次いでステップ２１０に進み、停止処理が行われる。具体的には、クラッチ１１がオフにされる。したがって、エネルギ回収処理もエネルギ放出処理も行われない。続くステップ２１１ではエネルギ回生装置の作動状態が監視される。一方、ステップ２０７において機関運転状態が領域Ｌに属していると判別されたときには次いでステップ２００に戻る。
【符号の説明】
【００２７】
１    内燃機関
２    排気管
４    排気タービン
７    排気タービンの出力軸
８    第１のクラッチ
９    フライホイール
１０    フライホイールの回転軸
１１    第２のクラッチ
１２    変速機
１５    内燃機関の出力軸
【図１】
2019152183.tif 000003
【図２】
2019152183.tif 000004
【図３】
2019152183.tif 000005
【図４】
2019152183.tif 000006
【図５】
2019152183.tif 000007
【図６】
2019152183.tif 000008
【図７】
2019152183.tif 000009