(57)【要約】水素動力形ハイブリッド・パワートレイン・システムが、リーン空気／燃料混合気で動作する水素燃料形内燃機関と、主に高い動作速度範囲で機関により生成された主駆動トルクを増強する過給機、を含む。電気モーター／発電機が、副駆動トルクが増強された主駆動トルクを低い動作速度範囲で補うように、車両のための副駆動トルクを発生する。機関とモーター／発電機との間に配置された断続クラッチが、機関をモーター／発電機から締結及び解放し、そして、モーター／発電機を介して、動力伝達システムへ、増大された主駆動トルクを伝達する働きをする。それで、動力伝達部における入力は、少なくとも低い動作速度において向上したトルク特性を持つ、増強された主駆動トルクと副駆動トルクの組み合わせである。
2006527113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リーン気体水素燃料混合気で動作し、パワートレインの動作速度の範囲において主駆動トルクを増大するための空気充填増強装置を少なくとも一つ持つ内燃機関、を持ち、主駆動トルクを発生する主動力発生システム、及び、
副駆動トルクを発生する電気トルク発生装置を少なくとも一つ持ち、そして増強された主駆動トルクを副駆動トルクが上記パワートレインの少なくとも低い動作速度において補うように構築及び配置された副動力発生システム、を有するパワートレイン。
【請求項２】
上記主動力発生システムが、インタークーリング・システムを少なくとも一つ有する、請求項１のパワートレイン。
【請求項３】
上記主動力発生システムが、デュアル・ステージ・インタークーラーを有する、請求項１のパワートレイン。
【請求項４】
上記主動力発生システムが、上記パワートレインに関係する騒音、振動及びハーシュネス（NVH）を低減するように最適化されたフロント・エンド・アクセサリー組立体、を有する、請求項１のパワートレイン。
【請求項５】
上記主動力発生システムが、空気充填装置から発するNVHを低減するために、吸音障壁で遮断される、請求項１のパワートレイン。
【請求項６】
上記副動力発生システムが、電気モーター／発電機を有する、請求項１のパワートレイン。
【請求項７】
上記主動力発生システムと上記副動力発生システムとの間に配置され、上記主動力発生システムを上記副動力発生システムと締結及び解放し、そして増強された主駆動トルクを上記副動力発生システムを介して伝達する断続クラッチを更に有する、請求項１のパワートレイン。
【請求項８】
上記断続クラッチが、湿式クラッチ組立体を有する、請求項７のパワートレイン。
【請求項９】
上記断続クラッチが、乾式クラッチ組立体を有する、請求項７のパワートレイン。
【請求項１０】
上記副動力発生システムの出力部に接続され、増強された主駆動トルクと副駆動トルクの組み合わせを受ける動力伝達システムを更に有し、増強された主駆動トルクと副駆動トルクの組み合わせが、上記パワートレインの少なくとも低い動作速度範囲にわたり向上したトルク特性を持つ、請求項１のパワートレイン。
【請求項１１】
上記動力伝達システムが、手動変速機である、請求項10のパワートレイン。
【請求項１２】
上記動力伝達システムが、自動変速機である、請求項10のパワートレイン。
【請求項１３】
上記動力伝達システムが、無段変速機である、請求項10のパワートレイン。
【請求項１４】
上記主動力発生システムと上記副動力発生システムとの間に配置され、上記主動力発生システムを上記副動力発生システムと締結及び解放し、そして、増強された主駆動力を上記副動力発生システムを介して伝達する、断続クラッチ、及び、
上記副動力発生システムの出力部に接続され、増強された主駆動トルクと副駆動トルクの組み合わせを受ける動力伝達システムを更に有し、増強された主駆動トルクと副駆動トルクの組み合わせが、上記パワートレインの少なくとも低い動作速度範囲にわたり向上したトルク特性を持ち、上記副動力発生システム、上記断続クラッチ及び上記動力伝達システムがモジュラー・ハイブリッド伝動システムとしてパッケージされる、請求項１のパワートレイン。
【請求項１５】
水素燃料を貯蔵する水素貯蔵システム、
該水素貯蔵システムに接続され、リーン気体水素燃料混合気で動作し、主に動作速度の広い範囲にわたり主駆動トルクを増強するための、少なくとも一つの空気充填増強装置を持つ、水素燃料形内燃機関、
蓄電装置、及び、
電気エネルギー蓄積装置に接続され、車両の副駆動トルクを発生し、そして上記蓄電装置での貯蔵のために電気エネルギーを回収し、少なくとも低い動作速度範囲にわたり増強された主駆動トルクを補うように構成及び配置された電気モーター／発電機、を有する、車両。
【請求項１６】
上記水素貯蔵システムが、圧縮気体水素貯蔵システムを有する、請求項16の車両。
【請求項１７】
上記水素貯蔵システムが、液体貯蔵システムを有する、請求項15の車両。
【請求項１８】
上記水素貯蔵システムが、固体金属貯蔵システムを有する、請求項15の車両。
【請求項１９】
上記水素貯蔵システムが、上記車両の後部又は中央部に配置される、請求項15の車両。
【請求項２０】
上記電気貯蔵装置がバッテリーを有する、請求項15の車両。
【請求項２１】
上記蓄電装置がウルトラ・キャパシターを有する、請求項15の車両。
【請求項２２】
上記蓄電装置が、上記車両の後部又は中央部に配置される、請求項15の車両。
【請求項２３】
上記内燃機関と上記電気モーター／発電機との間に配置され、上記内燃機関を上記電気モーター／発電機と締結及び解放し、そして、増強された主駆動力を上記電気モーター／発電機を介して伝達する、断続クラッチ、及び、
上記電気モーター／発電機の出力部に接続され、増強された主駆動トルクと副駆動トルクの組み合わせを受ける動力伝達システムを更に有し、増強された主駆動トルクと副駆動トルクの組み合わせが、少なくとも低い動作速度範囲にわたり向上したトルク特性を持つ、請求項15の車両。
【請求項２４】
上記内燃機関、上記電気モーター／発電機、上記断続クラッチ及び上記動力伝達システムが、上記車両の前方部分に配置される、請求項23の車両。
【請求項２５】
上記電気モーター／発電機、上記断続クラッチ及び上記動力伝達システムが、モジュラー・ハイブリッド伝動システムとしてパッケージされる、請求項23の車両。
【請求項２６】
上記内燃機関と上記モジュラー・ハイブリッド伝動システムが、上記車両の前方部分に配置される、請求項25の車両。
【請求項２７】
上記機関と上記モジュラー・ハイブリッド伝動システムの近傍に少なくとも一つの吸音障壁を更に有する、請求項15の車両。
【請求項２８】
水素換気システムを更に有する、請求項15の車両。
【請求項２９】
水素燃料形内燃機関を持つハイブリッド車両を運転する方法であって、
リーン気体水素燃料混合気を用いて上記車両のために主駆動トルクを発生する工程、
主に高い動作速度範囲にわたり主駆動トルクを増強する工程、
副駆動トルクが増強された主駆動トルクを少なくとも低い動作速度範囲にわたり補うように、副駆動トルクを発生する工程、
増大された主駆動トルクと副駆動トルクの組み合わせを選択的に伝達する工程、を有し、増強された主駆動トルクと副駆動トルクの組み合わせが、少なくとも低い動作速度範囲にわたり向上したトルク特性を持つ、方法。
【請求項３０】
各気筒のために、低流量燃料噴射弁と高流量燃料噴射弁とを含むパルス燃料噴射弁を持つ水素燃料形内燃機関のための燃料供給量を変更する方法であって、
流量がオーバーラップ値を越えるまで上記低流量噴射弁のパルス幅を増加することにより燃料供給量を増大させる工程、
上記オーバーラップ値に近付く大きさで上記高流量噴射弁を運転する工程、及び、
上記高及び低流量噴射弁からの総流量が、上記低流量噴射弁からの最大流量に等しくなるように、上記低流量噴射弁のパルス幅を同時に減少する工程、を有する方法。
【請求項３１】
流量が上記オーバーラップ値に到達するまで上記高流量噴射弁のパルス幅を減少することにより高燃料供給量から燃料流量を減少する工程、及び、
上記高流量噴射弁をオフに切り換えながら同時に上記低流量噴射弁を運転する工程、を更に有する、請求項30の方法。
【請求項３２】
水素燃料形内燃機関の吸気システムで起こるバックファイアを検出し、それに対応する方法であって、
上記吸気システム内の温度を検出することによりバックファイアを検出する工程、及び、
バックファイアが検出されるときに、上記機関への水素燃料を遮断する工程、を有する方法。
【請求項３３】
水素燃料が遮断されるときに、上記機関に付随する電気駆動システムの出力トルクを増大させる工程、を更に有する、請求項32の方法。
【請求項３４】
上記機関の吸気システム内の圧力を検出することにより、バックファイアを検出する工程、を更に有する、請求項32の方法。
【請求項３５】
バックファイアが止まったときに、水素による上記機関の燃料供給を再開する工程、を更に有する、請求項32の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概略的にはハイブリッド電気車両に関し、より具体的には、水素燃料形内燃機関により駆動されるハイブリッド電気パワートレイン及び車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車製造者は、車両用燃料電池及びガソリン・ハイブリッド電気車両（hybrid electric vehicle: HEV）の技術を実施、そしてより迅速に商業化するための研究開発を活発化してきた。燃料電池技術は、PEM及び固体酸化物燃料電池などの電気―化学変換装置を利用して、テールパイプ排出量がゼロで駆動力を発生する。ガソリン・ハイブリッドは、テールパイプ排出量を完全にゼロにしないものの、現代の燃料電池と比較して僅かなコストで燃料経済性を大幅に向上させることが出来る。
【０００３】
また、水素燃料形内燃機関とハイブリッド電気運転の利点を組み合わせるパワートレインが提案されている。例えば、米国特許出願公開第2002/0098414号には、水素燃料形内燃機関、水素貯蔵合金ユニット、電気モーター及びニッケル水素電池、を持つ超低排出ハイブリッド電気車両が開示されている。しかしながら、内燃機関で用いられるときの気体水素の低いエネルギー密度ゆえの課題があり、それは、広い範囲の動作速度にわたりガソリン・エンジンのような性能を出すことが出来るか、ということである。これは、水素内燃機関は通常、燃焼安定性を保つために、燃料リーンの空燃比で動作されるために、そうなのである。
【０００４】
そのようであるので、本件発明者は、ハイブリッドの運転性と性能を通常のガソリン駆動エンジン並みに保ちながら、水素燃料を利用し、そして、テールパイプ排出量における大幅な削減を達成するように、通常の内燃機関とHEVの技術を適応する必要性を認識した。
【発明の開示】
【０００５】
本発明に第１の観点によれば、リーン気体水素燃料混合気で動作し、そしてパワートレインの動作速度のある範囲において主動力トルクを増強するための空気充填増強装置を少なくとも一つ持つ水素燃料形内燃機関を持つ、主駆動トルクを発生する主動力発生システム、及び、副駆動トルクを発生する電気トルク発生装置を少なくとも一つ持ち、副駆動トルクがパワートレインの少なくとも低い動作速度範囲にわたり増強された主駆動トルクを補うように構築及び配置された副動力発生システム、を有するパワートレインが、提供される。
【０００６】
好ましくは、主動力発生システム（機関）と副動力発生システム（電気モーター）との間に、主動力発生システムを副動力発生システムと結合及び解放するためと、増強された主駆動トルクを副動力発生システムを介して伝達するための、切断クラッチが設けられる。増強された主駆動トルクと副駆動トルクの組み合わせを受けるために副動力発生システムの出力に、動力伝達システムが接続され、増強された主駆動トルクと副駆動トルクの組み合わせが、パワートレインの少なくとも低い動作速度範囲にわたり優れたトルク特性を持つ。
【０００７】
内燃機関は、低エネルギー密度の水素を用いてリーン空燃比で運転されるので、機関の出力トルクを増強するために、過給が行なわれる。過給は、より高いエンジン速度における性能を向上するが、低いエンジン速度においてはそうではない。有利なことに、ICE／ハイブリッドの組み合わせのパワートレインが、よりガソリン駆動パワートレインのように、しかし、炭化水素とCO2の排出量を大幅に低減し、そして、ハイブリッドの機能、つまり、スタート／ストップ、電機モード、発進補助及び運動エネルギー回収、を利用して、動作するように、電気モーターの出力トルクをより低いエンジン速度において補なう。
【０００８】
水素燃料形HEVパワートレインを利用することにより、通常の量産車と比較して、排出量と燃料経済性の大幅な向上を、比肩し得る燃料電池動力形車両よりも低いコストで、得ることが出来る。コストの利点の結果として、請求項記載の水素燃料形HEV車両は、最終的に要求される水素燃料電池車両に必要とされる水素社会資本に対するより大きな需要を創出し、そしてその開発を加速することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を、添付の図面を参照しながら、例示として、さらに説明する。
【００１０】
図１は、本発明によるハイブリッド車両システム100の全体構成を示す。システム100は、内燃機関のような主動力発生システム114に接続された、ガソリン、ディーゼル又は他の気体燃料供給部のような主動力源112、を含む。主動力発生システム114は、車両の駆動系128へ動力伝達組立体116を介して伝達される主駆動トルクを発生する。
【００１１】
動力伝達組立体116は、主動力発生システム114が発生する機械動力を伝達する、手動、自動又は無段自動変速機又は、他の等価な歯車機構、とすることが出来る。システム110は更に、バッテリー、ウルトラ・キャパシター、油圧アキュムレーター又は他のエネルギー蓄積装置のような副動力源118及び、主動力発生システム114により供給される駆動トルクを補うための一つ又は複数の電気機械又は他のトルク発生装置のような副動力発生システム120、を含む。システムは、更に、追加駆動トルクを提供するために補助動力発生システム126に接続される、燃料電池システム又は補助動力ユニット（Auxiliary Power Unit: APU）のような補助動力源124を含み得る。
【００１２】
本発明の実施形態の一つによれば、主動力発生システム114は、水素燃焼形内燃機関である。水素動力源112は、圧縮水素貯蔵システム、又は金属水素化物貯蔵システムのような低圧システム、を含み得る。動力伝達組立体116は、内燃機関114と副動力発生システム120の両方の出力を車両駆動系128へ伝達する。動力伝達組立体116は、好ましくは一体形高電圧電気モーター／発電機である副動力発生システム120と共に構築そして配列されたコンバーター・レス自動変速機であるのが好ましい。動力伝達組立体116及び副動力発生システム120は、単一のモジュラー・ハイブリッド伝達ユニット122へと組み込むことが出来れば、有利である。
【００１３】
図2a乃至2cは、本発明に適用可能なハイブリッド・パワートレイン構成を示す。
【００１４】
図2aは、モジュラー・ハイブリッド伝達ユニット204に接続された水素燃料形内燃機関を持ついわゆる「シリーズ」ハイブリッド構成200を示す。モジュラー・ハイブリッド伝達ユニット204は、電気モーター210及び歯車機構212を介して車両駆動輪218に動力供給するための電気エネルギーを発生する発電機208を含む。
【００１５】
蓄電装置206が、内燃機関が要求されるよりも大きな動力を発生するときに、発電機208を介して電気エネルギーを蓄え、そして動力要求がエンジン動力出力を上回るときに、電気モーター210を介してエンジン動力を補う。図2bは、いわゆる「パラレル」ハイブリッド構成220を示し、そこにおいて、モジュラー・ハイブリッド伝動ユニット224が、駆動系トルクを、水素燃料形内燃機関202、結合装置228及び歯車機構230を持つ第1動力経路と、モーター／発電機232、結合装置234及び歯車機構230を持つ第2動力経路を介して、伝達する。結合装置228及び234は、機械的なエネルギーを車両駆動系218へ伝達するための、例えば歯車機構又はクラッチである、適切な装置とすることが出来る。実施形態の一つにおいて、結合装置228及び234は、同じ装置とすることが出来る。図2cは、いわゆる「パラレル−シリーズ」構成30を示し、そこにおいて、モジュラー・ハイブリッド伝達ユニット244が、動力を伝達するために例えば遊星歯車機構を介して電気的及び／又は機械的に歯車機構250及び駆動系218へ接続されたモーター／発電機252及び253を含む。
【００１６】
図３は、本発明による一例としてのハイブリッド・パワートレイン・システム300の概略ブロック図を示す。システム300は、その実施形態が図４を参照して後述される水素燃料形内燃機関302及び、その実施形態が図５を参照して後述されるモジュラー・ハイブリッド伝動システム310、を含む。モジュラー・ハイブリッド伝動システム310は、パラレル・ハイブリッド・システムとしてパワートレイン300を作動させるために選択的に締結及び解放され得るクラッチ機構312を含む。
【００１７】
クラッチ機構312が締結されるとき、エンジン302のトルク出力は、バッテリー320に接続されるモーター／発電機314のトルク出力を補うように伝達される。モーター／発電機314は、モーターとして作動されるとき、バッテリー320に蓄えられた電気エネルギーを用い、そして、発電機として用いられるときは、バッテリー320への充電を行なう。
【００１８】
図４は、図３のハイブリッド・パワートレイン・システムの一部として用いられる水素燃料形内燃機関400の概略図を示す。機関400は、一例として限定的なものではなく水素燃焼形4ストローク・ポート燃料噴射式内燃機関であり、複数の気筒402（一つのみが示されている）を持ち、気筒のそれぞれが、燃焼室410及び、対応してコネクティング・ロッド414とクランクシャフト416と協働して往復動するピストン412を持つ。実施形態の一つにおいて、ピストン412は、約12.2:1の圧縮比に最適化され、鍛造アルミニウム・ピストンにより構成される。ピストン412はまた、実質的に平坦なピストン・ヘッドと、120バールのピーク・シリンダー圧に対して最適化されたリング・パック411とを特徴とする。完全浮動形ブッシュ式ピストン・ピン413が、ピストン412を、コネクティング・ロッド414に取り付ける。それは、4340鋼から機械加工され、そして、リング・パック411を収容するために同様のガソリン機関のコネクティング・ロッドと比較して短縮されている。
【００１９】
複数のカムシャフト組立体418及び420は、それぞれが、対応する吸気及び排気マニフォールドと連通するように、動作する吸気及び排気弁422及び424に機械的に結合される。バルブ422及び424は好ましくは、水素燃料の低下した潤滑性ゆえに耐摩耗性を高めるために、ステライト(r)被膜で硬化されたバルブ・シートを含む。
【００２０】
符号454及び456により集合的に示されるデュアル・レール燃料噴射システムが、高燃料流量噴射弁454（一つだけ示される）及び低燃料流量噴射弁456（再び一つだけ示される）を含む。好ましくはディスク形気体燃料噴射弁である噴射弁454及び456は、圧縮ガス、金属水素化物又は他の水素貯蔵媒体からの水素燃料の供給を制御する、エンジン制御モジュール（engine control module: ECM）914（図９参照）により制御される。水素は、非常に広い燃焼範囲を持つので、ECM 914は、燃焼室410のそれぞれにリーン空気／燃料混合気を供給するように、燃料噴射弁454と456を作動させる。例としてそして限定としてではなく、機関400は、ハイウェイ・クルージング中に、同様の通常のガソリン燃料機関における約14.7:1と比較して、約86:1の空燃比で動作させることが出来る。
【００２１】
リーン状態における機関400の作動は、予着火若しくはいわゆるエンジン「ノック」なしに、燃料効率の向上を可能とする。一実施形態において、低流量噴射弁456が低いエンジン速度で作動させられ、高流量噴射弁454が高いエンジン速度で作動させられる。吸気弁422が開いておりかつ排気弁424が閉じているときにのみ、燃料が燃焼室410のそれぞれに噴射される。この「遅い燃料噴射時期」が、オーバーラップ期間中の排気弁424の吸入空気による冷却を可能とし、それにより、バックフラッシュ／バックファイアの発生を最小にする。有利なことに、排気弁が閉じられる前に燃料が噴射されることが決してないように、20から170度の期間で、「噴射終了時期」は180度（吸気行程のBDC）に固定される。
【００２２】
燃料噴射弁454及び456は、一部オーバーラップする流量を持つ。言い換えると、高流量噴射弁454についての最小実行可能流量は、低流量噴射弁456の最大流量に等価である。これは、望ましくない中断なしに、燃料供給量の大きな変化が得られるのを可能とする。これは、パルス幅と呼ばれる可変の期間開放される電子制御噴射弁を用いることにより、得られる。この方法は、図12に示される。
【００２３】
従って、ブロック1214に置かれた質問に対する答えがYESのときのような水素流量が増加させられているとき、低流量噴射弁456のパルス幅は、制御器914により、ブロック1126におけるオーバーラップ流量値まで増大させられることになり、そのとき、高流量噴射弁454が、ブロック1218におけるオーバーラップ値に対応するパルス幅で動作させられることになる。ブロック1218において同時に、低流量噴射弁456のパルス幅は、両方の組の噴射弁からの流量の合計が、低流量噴射弁456からの前回のオーバーラップ流量と同じとなるように、低減させられることになる。その後で、高流量噴射弁454の流量が、制御器914により更に増大させられることになり、そして、低流量噴射弁の流量は、低流量噴射弁456が遮断されるまで、更に低下させられることになる。燃料供給量が高燃料供給量から減少されている場合には、高流量噴射弁454のパルス幅は、ブロック1222においてオーバーラップ値まで減少されることになり、そして、ブロック1224において低流量噴射弁456がオーバーラップ値で作動させられる一方、高流量噴射弁456が同時に遮断される。
【００２４】
水素燃料流量を迅速に制御する能力は、本件パワートレイン・システムの少なくとも一つの別の理由で重要である。ポート噴射形水素燃料往復動内燃機関の吸気マニフォールドにおけるバックファイアは、動作領域によっては問題となることがあるので、機関400は、吸気プレナム449に取り付けられた温度及び絶対圧（temperature and absolute pressure: TMAP）センサー447を持つ。
【００２５】
TMAPセンサーが、図13におけるフローチャートを用いて図示されるような、バックファイアを制御する方法において、用いられる。バックファイアは通常、吸気マニフォールド温度そしてときに圧力の殆ど瞬間的な増大を招く。ブロック1312において、TMAPセンサー447は継続的に、これら吸気プレナムの温度及び圧力を検出する。そして、ブロック1314において、エンジン制御器914が、温度そして望めば圧力についての計測値を所定の閾値と比較する。ブロック1314における質問に対する回答がNOのとき、ルーチンは単に継続する。回答がYESのとき、ルーチンは、ブロック1316へ進み、そこにおいて、制御器914が、噴射弁のパルス幅をゼロに設定することにより、燃料をカットする。そして、ブロック1318において、制御器914が、センサー及び経過時間が、バックファイアが終わったことを示すか否かを検証する。そうであるならば、燃料供給がブロック1320において再開されることになる。非燃料供給期間の間、そうでなければ起こることになるトルクの不足を補うために、ブロック1322において、電気駆動システムを用いることが出来る。勿論、電気駆動アシストは、適切なバッテリー充電状態、適切な路面速度及び他の条件のような様々な条件が満たされたときにのみ、利用可能となることになる。
【００２６】
点火プラグ460（一つのみが示されている）が、好ましくは、それもまたECM 914により制御されるいわゆる「コイル・オン・プラグ」点火システムである点火システム462へ電気的に結合される。
【００２７】
機関400は更に、機関の動力出力を増加するために、遠心式過給機のような空気充填増強装置436を少なくとも一つ含む。
【００２８】
本発明の一実施形態において、遠心式過給機が、エンジンのフロント・エンド・アクセサリー・ドライブ（FEAD）からベルトで駆動され、5000 rpmのエンジン速度において、公称90 kpa（ゲージ）のブーストを行なう。しかしながら、過給は、吸気を加熱し、そして機関をより予着火しやすくするという望ましくない作用を持つ。これは、最終的に、エンジンの動力出力を制限する。それで、空気の加熱を最小にするために、本件譲受人により所有され、ここに参照によりそれの全体が引用される米国特許出願第09/683,072号に記載のデュアル・ステージ・インタークーリング・システムが設けられる。デュアル・ステージ・インタークーリング・システムは、過給機436と連通するエア・トゥ・エア・インタークーラー438及び、更に空気温度を低下させるためにエア・トゥ・エア・インタークーラー438の下流に配置されるエア・コンディショニング・トゥ・エア・インタークーラー442を含む。言葉とおりに、エア・コンディショニング・トゥ・エア・インタークーラー442は、冷媒としてR-134を用いて高過給状態の下で作動される。
【００２９】
オイル消費の制御手段が、自己着火を防ぎそして炭素系排出量と窒素酸化物排出量を大幅に低減するために、設けられる。従って、気筒壁の幾何学的寸法を最適化するために、デッキ・プレート・シリンダー・ボア・ホーニングを用いて、気筒402が機械加工される。リング・パック411におけるピストン・リングの端部隙は、圧力と信頼性の向上のために最適化され、バルブ・ステムのシール部も、オイルのプル・バイ（pull-by）を最小化し、耐摩耗性を向上するために、同様にされる。
【００３０】
セパレーター452及びチェック・バルブ446及び448を含むポジティブ・クランクケース・ベンチレーション（PCV）システムもまた、ベンチュリ４３４と同様に、クランクケースのガスからオイル・ペーパを取り除くために含まれる。そのようなシステムが、例えば、本件譲受人により所有され、そのまま参照により引用される米国特許第6,606,982号に記載されている。PCVシステムは、クランクケースから、燃焼ガス及び部分燃焼ガスを抽出して再燃焼するように構成された排出制御システムであり、具体的には、オイル／空気の分離性を向上するために高圧化／負圧吸入システムと共に用いることが出来る。
【００３１】
リーン空気／水素燃料混合気、過給及びインタークーリングの結果として、図４のエンジン400は、最大効率、動力及び走行距離を最大化するために最適化される。加えて、上述のオイル制御手法は、エンジン400の炭化水素、NOx及びCO2の排出を実質的に最小化する働きをする。
【００３２】
図５は、本発明による一例としてのハイブリッド・パワートレイン・システム500の断面図である。パワートレイン500は、エンジン始動／停止、エンジン・ブースト、回生制動（運動量回収）及び電気駆動を含む「フル・ハイブリッド」機能を可能とする。
【００３３】
パワートレイン・システム500は、左から右へ、水素燃料形内燃機関400、一体形モーター−発電機（M-G）／断続クラッチ組立体510及び動力伝達組立体550、を含む。好ましくは、組立体510及び550は、例えば、図１において図示符号122として特定される「モジュラー・ハイブリッド伝動システム」として共に収容される。モジュラー・ハイブリッド伝動システムは、以下に記載され、そして、更に、本件譲受人により所有され、ここにそのまま参照により引用される米国特許第6,585,066号に記載される。これもまた、本件譲受人により所有され、ここにそのまま参照により引用される米国特許第6,176,080号に、別の実施形態が記載される。図５を参照すると、一体形M-G／切断クラッチ組立体510は、水素内燃機関400と動力伝達組立体512との間に配列されるハウジング514を含む。ハウジングは、ボルト又は他の適切な取り付け手段を介して、一端においてエンジン・ブロック499へ、他端においてトランスミッション・ハウジング552へ取り付けられる。ハウジング514は、電気モーター−発電機、「湿式クラッチ」組立体及びダンパー組立体のための囲いとして機能する。名目上、電気モーター−発電機は、ステーター518及びローター520、そして少なくとも25 kWの最大動力出力を持つ、誘導形電気機械である。しかしながら、モーター−発電機の実際の大きさは、パワートレインの動力出力要求と、対応する蓄電装置の電力容量とに応じたものと出来る。
【００３４】
通常の流体式トルク・コンバーターに代わる湿式クラッチ組立体は、変速機ハウジングに取り付けられた支持ベアリング軸522上のローター520内に軸方向に取り付けられる。クラッチ組立体は、圧力室を形成するようにシリンダー524と協働する環状ピストン526を収容する湿式クラッチ・シリンダー524を含む。
【００３５】
圧力室には、複数の油圧通路（不図示）により油圧供給され、クラッチ支持要素530に取り付けられた複数のクラッチ板528を作動させるために用いられる。クラッチ板が解放されるとき、モーター−発電機のトルクが変速機入力軸542へ伝達される唯一のトルクであるので、ハイブリッド・パワートレイン500は、電気モードで作動することが出来る。クラッチが解放されるとき、パワートレインは、運動量の回収若しくは回生制動のモードで作動させることが出来る。クラッチ板528が締結されるとき、エンジンが変速機入力軸542へ機械的に結合され、それにより、もしあれば、変速機入力部においてモーター−発電機のトルクを補う。クラッチが締結されて、パワートレイン500は、エンジン・オンリー・モード又はエンジン／モーター組み合わせモード（例えば発進アシスト）で動作することが出来、そして、電気モーター−発電機は、エンジンの始動／停止動作のために用いることが出来る。
【００３６】
湿式クラッチ組立体が好ましいものの、ここで特許請求される発明は、乾式摩擦要素を利用することも出来る。しかしながら、湿式クラッチ組立体は、米国特許第6,176,080号に記載のような乾式要素と比較して、より安定した摩擦特性を示すので、好ましい。加えて、湿式クラッチ構成により、トランスミッション・フルードの電気モーター518, 520への吹き付けが、モーター端部の巻き線の冷却を可能とし、そしてそれが、モーターの動力一定の運転を向上する。また、ベアリングの代わりにモーター520を取り付けるために、ブッシュを用いることにより、パッケージング・コストが低減される。
【００３７】
水素燃料形内燃機関からのねじり振動を最小にするために、ダンパー組立体が設けられる。その組立体は、ハブ532、ダンパー・ドライブ・プレート534、ダンパー・スプリング536、ダンパー・ハウジング538及び、クランクシャフト・ドライブ・プレート540、を含む。図５に示されるように、ハブ532が、クラッチ支持要素530及びダンパー・ドライブ・プレート534と連通する。ダンパー・ドライブ・プレート534はそして、水素燃料形内燃機関のねじり振動を更に最小にするように選択又は調整されたダンパー・スプリング536と連通する。ダンパー・スプリング536はそして、クランクシャフト・ドライブ・プレート540へ機械的に固定されたダンパー・ハウジング538と協働する。クランクシャフト・ドライブ・プレート540は、そして、クランクシャフト416へ固定される。
【００３８】
図５のモジュラー・ハイブリッド伝動システムは更に、動力伝達組立体550を含む。システムのモジュラー構成の性質のために、変速機組立体550は、ハイブリッド及び非ハイブリッド用途の両方に適したいかなる、マニュアル、自動又は無段変速機とすることが出来る。限定的にではなく例示として、図５を参照してここで述べられる変速機組立体は、ZFバタビアのCD4E形4段自動変速機の改良版である。特許請求された発明の範囲に影響することなしに、他の変速機及び歯車構成を、用いることが出来る。
【００３９】
動力伝達組立体550は、トランスミッション・ハウジング552の一方側に配置された油圧制御組立体554を含む。油圧制御組立体554は、バルブ・コンパートメント556と、電子スイッチ部品を収容するための電子モジュール558を含む。油圧制御組立体554は、上述の断続クラッチ組立体、そして変速機550と共に配置される様々なクラッチ装置を、締結及び解放するために用いられる。バルブ・コンパートメント552へ一体化された小型電気ポンプ（不図示）が、エンジン遮断中に変速機組立体550への油圧を要求量に維持する。
【００４０】
本発明に関して、変速機550は、少なくとも4つの前進駆動変速比と一つの後進変速比を提供するために、5つの独立したクラッチ／摩擦要素を含む。すなわち、リバース・クラッチ558、ダイレクト・クラッチ560、フォワード・クラッチ562、ロー・アンド・リバース・ブレーキ564及びブレーキ・バンド566、を含む。クラッチ／摩擦要素558, 560, 562, 564及び566のそれぞれが、遊星歯車機構568, 570及び572及びチェーン574を介して、上述の米国特許第6,585,086号に開示されているように前進及び後進変速比を発生するように、構成される。生じたトルクは、遊星歯車機構572からデファレンシャル・ギア576を通り、最終的にハーフ・シャフト578及び580へと伝達される。4輪駆動機能を提供する場合には、遊星歯車機構572の出力部に、追加の又は変更された歯車装置が設けられる。
【００４１】
そのようにして、図５のモジュラー・ハイブリッド変速機システムを図４の水素内燃機関と組み合わせることにより、非常に低排出量の「パラレル式」ハイブリッド・パワートレインが得られる。パラレル・ハイブリッド・システムにより、パワートレインは、水素機関又は電気モーターのうち一つだけを又は、特別な動力が必要とされるときには機関とモーターの両方を、動力発生源として動作することが出来る。ハイブリッド・パワートレインは、制動中に、もしそうでなければ熱エネルギーとして失われることになる運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する回生制動機能を可能とする。例えば、回収された電気エネルギーは、それに続く発進、加速、追い越し又は登坂動作中に、車両に少なくとも部分的にエネルギー供給するのに用いることが出来る。パワートレインはまた、電気自動車モード動作及びエンジン始動／停止を可能とする。例えば、エンジン始動／停止により、エンジンは、燃料を節約し、そして排出量を低減するために、自動的に遮断することが出来る。ブレーキ・ペダルが解放され、アクセル・ペダルが踏まれるとき、車両システム制御器が、エンジンを再始動し、そして断続クラッチを再締結するように、電気モーターを制御する。
【００４２】
ここで、図６乃至８を参照する。これらの図は、図４及び５を参照して説明した水素燃料形ハイブリッド・パワートレイン・システムの利点を示す。曲線610-650がそれぞれ、広範囲なエンジン運転速度にわたる、最大エンジン出力トルク（Nm）、すなわち、変速機の入力駆動軸において得ることの出来るクランクシャフト・トルク、を示す。曲線610は、通常の2.3Lガソリン燃料形内燃機関についてのトルク／速度特性を示す。1000-5000 rpmの動作範囲にわたり、ガソリン燃料形内燃機関の最大トルクは、約160 Nm (1000 rpm)から210Nm (4000 rpm)まで、変化する。これは、ピーク最大値からの約23.8%の変化を表わす。比較すると、水素を燃料とし図４を参照して説明したように構成された同じ機関についての曲線620-650は、動力出力性能の大幅な低下を得る。曲線650の過給なしの水素燃料形エンジンは、同じガソリン・エンジンについての210 Nmに比較して、約120 Nmの最大出力トルクを示す。例えば、それぞれ100%, 40%そして20%の過給についての曲線620, 630そして640にあるように、過給は性能を向上させるものの、過給の効果は、2500 rpm未満では明確ではない。ここにおける「%の過給（若しくはブースト）」は、ブースト装置が吸気部の充填を高圧化する大気圧を超える%を指し、例えば、25%のブーストは、1.25:1の圧縮比であるか、若しくは、14.7 psi * 1.25 = 18.3 psiのブーストである。2500 rpmを越えると、100%過給の場合（曲線620）のみが、ガソリン・エンジンの性能に最も近付く。100%過給により、1000-5000 rpmの範囲にわたるピーク最大値からの割合変化は、約57.4%（(202-85.66) /202*100）である。具体的には、低い動作速度範囲つまり2500 rpm未満について、エンジンの最大トルク出力は、高速つまり5000 rpmにおける出力と比較して、大幅に減少される。
【００４３】
リーン空気／燃料動作、過給そしてインタークーリングの組み合わせが、水素エンジンの性能を最適化するものの、動力出力が、通常のガソリン燃焼形内燃機関と比較して、大幅に低減される。性能の低下は、過給の効果が完全に具現化されない、より低いエンジン動作速度において、特に明らかである。特に2500 rpm未満におけるパワートレイン動作速度における、この性能の不足は、図３乃至５を参照して説明された水素ハイブリッド・パワートレインを使用することにより、実質的に解消される。
【００４４】
図７は、図３乃至５を参照して上述の水素ハイブリッド・パワートレインについての最大出力トルク特性を示す。曲線720-750が、広範囲のパワートレイン動作速度にわたる伝動機入力駆動軸において得られる最大トルクを示す。最も明白なことに、電気モーター発電機の低速性能特性に一部起因して、トルク性能が、2500 rpm未満の動作速度について、大幅に向上する。40 %を越えるレベルで過給するとき、2500 rpmより上の動作速度について、性能が大幅に向上する。100 %過給の際、1000-5000 rpmにわたるピーク最大値からの割合変化は、約21%であり、それは、通常のガソリン燃料形エンジンと比肩し得る。加えて、平均最大出力は、ガソリンの場合と比較して、増加させられる。
【００４５】
図８は、最大動力出力に関しての、水素ハイブリッド・システムの利点を示す。再び、過給の増大と共に、つまり、曲線820（100%過給）、830（40%過給）、840（20%過給）及び850（0%過給）により、パワートレインの動力出力が、曲線810におけるガソリン燃料形エンジンを越える。40%を越える過給により、水素エンジンとモジュラー・ハイブリッド伝動機の動力発生特性が、パワートレインの動作速度範囲にわたり、互いに補なう。
【００４６】
水素燃料形内燃機関とモジュラー・ハイブリッド変速機との組み合わせは、通常のガソリン動力形エンジンと比較して、動力性能の向上を可能とするが、CO2排出量を大幅に削減し、そして炭化水素及び窒素酸化物を僅かに排出するだけである。加えて、その組み合わせは、「フル」ハイブリッドの機能性、例えば、エンジン始動／停止、エンジン・ブースト、回生制動（運動量回収）及び電気駆動、を可能とし、それは更に、排出量を削減し、燃料経済性を向上する。
【００４７】
図９は、本発明による一例の水素燃料形内燃機関ハイブリッド車両900の概略ブロック図を示す。車両は、電子スロットルを持つ水素燃料形過給2.3L内燃機関902、25kW電気モーター／発電機及び対応するパワー・エレクトロニクス905を持つ電気コンバーターレス・モジュラー・ハイブリッド変速機システム904、280ボルト・リチウム・イオン・バッテリー906、圧縮水素貯蔵システム908及び対応する水素検出センサー910、を含む。車両は、高速車載通信ネットワーク上で通信する一つ又は複数の車載マイクロプロセッサー装置上に別個に又は一緒に実装することが出来る複数の制御モジュールを含み、それらには、限定するものではないが、車両システム制御器（VSC）912、エンジン制御及び燃料噴射モジュール（ECM/FIM）914、電気パワー・アシスト・ステアリング（EPAS）モジュール916、変速機制御モジュール（TCM）918、バッテリー制御モジュール（BCM）920及び水素マネージメント・モジュール922、が含まれる。TCM918は、様々なライナーズ・ソレノイド（VFS）及び小型電動ポンプを制御するために、ペダル位置、PRNDL位置、速度（例えば変速機入力、変速機出力、変速機歯車速度、エンジン等）、エンジン及びモーターのトルク及び、圧力（フォワード／リバース・クラッチ及びライン）などの車両からの入力を読み込む。好ましくは、TCM 918はまた、車両発進、エンジン−車輪の断続、締結、エンジン始動、ティップ・イン／アウト及び変速機の変速中の駆動系振動、を制御する。実施形態の一つにおける燃料タンクは、5000から10,000 psiの動作圧力を想定したカーボン・ファイバーの構造ケースを持つアルミニウム製圧力障壁とすることが出来る。
【００４８】
図10及び11は、水素ハイブリッド・パワートレイン1000及び、水素ハイブリッド車両1100におけるそれの配置の、等角投影図を示す。水素ハイブリッド車両1100は、車両1100のエンジン・ルーム若しくは前方室に構成そして配置された内燃機関902及びモジュラー・ハイブリッド変速機システム904を含む。高電圧バッテリー906及び水素貯蔵タンク1112, 1114及び1116を含むエネルギー貯蔵装置が、車両1110の荷室若しくは後室に収容される。車両の中央部分に、例えば、車両1110のフロアパンの助手席の下に、貯蔵タンク又はバッテリーを一つ又は複数収容することも出来る。
【００４９】
図10を再び参照すると、水素ハイブリッド・パワートレインの重要な構成部には、フロント・エンド・アクセサリー組立体1010、遠心式過給機組立体1028、デュアル燃料レール1030及び1032、電動推進モーター1040、水素バルブ組立体1042、及び、パワー・エレクトロニクス及び制御モジュール1044、が含まれる。電気推進モーター1040は通常ピーク出力25kW／連続出力10 kWの誘導モーターであるが、車両の重量、用途若しくはこの分野で公知の他の設計標準に応じた大きさとすることが出来る。他の重要な構成部及びそれらの配置が、図11に示され、それらには、エア−トゥ−エア・インタークーラー1102、エア・トゥ・エア・コンディショナー・インタークーラー1104、高電圧バッテリー906、バッテリー冷却用入口及び出口1108及び1110、水素貯蔵タンク1112, 1114及び1116、そして水素燃料供給用受け部1118が、含まれる。一実施形態における水素タンクは、例えば5000又は10,000 psiに圧縮された水素ガスを貯蔵する。他の貯蔵システムには、超絶縁された液体と金属水素化物の貯蔵システムが含まれる。
【００５０】
車両は更に、又本件譲受人により所有され、ここに参照によりそのまま引用される米国特許第6,446,616号に記載の、能動及び受動的な水素ガスの換気のための換気システム（不図示）を含む。
【００５１】
高圧縮比、高速燃料燃焼速度、過給機、電気モーター及び能動及び受動的換気を持つ水素ハイブリッド・パワートレイン1000の特性により、車両1110及びそれの構成部品は、通常の非ハイブリッド・ガソリン動力形車両と比較して、より高いレベルのノイズ、振動及びハーシュネス（NVH）を発生する傾向がある。クランクシャフト・プーリー1012、水ポンプ・プーリー1014、過給機プーリー1016、ベルト・テンショナー1018、第1アイドラー1020、エア・コンディショナー・プーリー1022、第2アイドラー1024及びベルト1026を含むFEAD組立体1010は、例えば、NVHを最小にするために最適化される。過給機プーリー1016は、ベルトの滑りを防止し、ベルト「スキール」を最小化するように、過給機が一方向に自由回転するのを可能にするワンウェイ・クラッチを含む。クラッチ・システムは、同じく本件譲受人により所有され、ここに参照により引用される米国特許第5,669,336号に記載のクラッチと同様のものである。より低い（又は高い）摩擦係数を持つベルト1026もまた、ベルト・スキールを低減する。同じくNVHを低減するように最適化されたクランクシャフト・プーリー1012は、異なるノイズ周波数を減衰するために軟質ラバー材料と硬質ラバー材料のデュアル・ダンパー構成を含む。ベルト・テンショナー1018は、より高い減衰性を持ち、テンショナーの移動量とFEADの「スラッピング（slapping）」ノイズを低減するように、配置される、「緩み側」テンショナーと呼ばれるものである。
【００５２】
NVHを更に低減するために、エンジン902と変速機システム904は、吸音材により囲まれるか、その中に入れられる。例えばシンシュレート（Thinsulate）又は他の発泡材などの一つ又は複数の吸音材から出来た第1バリアーを、エンジンと客室との間で用いることが出来る。発泡フード・ライナー（hood liner）の形態の第2バリアーもまた、騒音を抑えるために用いることが出来る。更にまた、過給機の「ベリー・パン（belly pan）」として配列された第3層を、過給機により放射されるノイズを低減するために用いることが出来る。一実施形態において、ベリー・パンは、過給機組立体1028からの放射ノイズの漏れを低減するために、薄板金属材料で構成され、彫刻模様の発泡体で裏打ちされる。
【００５３】
場合により、内燃機関の吸気及び排気システムは、更にノイズを低減するように構成することが出来る。例えば、車両のアンダーボディ・トンネル領域に収容された87 Hzに同調された管状マフラー1120は、2 dB程度ノイズを低減することが出来る。吸気ノイズを最小にするために、エア・ボックスと過給機との間に組み込まれ133 Hzに同調されたヘルムホルツ・レゾネーター（図４の491を参照）を用いることが出来る。
【００５４】
これらのそしてこの分野で公知の他の方法を、水素ハイブリッド・パワートレインの吸気及び排気システムから発するノイズを最小にするのに用いることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】ハイブリッド・パワートレイン・システムを一般化して表わす概略ブロック図である。
【図２】図１の一般的なハイブリッド・パワートレイン・システムに適用可能な様々な動力伝達ユニットの例を示す概略ブロック図である。
【図３】本発明によるハイブリッド・パワートレインの一例の概略ブロック図である。
【図４】図３のハイブリッド・パワートレインにおいて使用される水素燃料内燃機関の実施形態を示す概略図である。
【図５】図３のハイブリッド・パワートレインにおける使用のためのモジュラー・ハイブリッド動力伝達システムの実施形態を示す概略図である。
【図６】非ハイブリッド・パワートレイン・システムについてのトルク対速度の特性のグラフである。
【図７】本発明によるハイブリッド・パワートレイン・システムについてのトルク対速度の特性のグラフである。
【図８】本発明によるハイブリッド・パワートレイン・システムについての動力対速度の特性のグラフである。
【図９】本発明による水素燃料形内燃機関とモジュラー・ハイブリッド伝動システムを持つ車両の一例を示す概略図である。
【図１０】本発明による水素ハイブリッド・パワートレイン・システムの等角投影図である。
【図１１】本発明による水素ハイブリッド・パワートレインを持つ車両の等角投影図である。
【図１２】異なる最大流量を持つ水素燃料噴射弁により燃料流量を変更する方法のフローチャートである。
【図１３】本発明による水素燃料形内燃機関における吸気マニフォールドのバックファイアを検出する方法のフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【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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【国際調査報告】
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2006527113.tif 000018
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