(57)【要約】【課題】発電可能な回転数領域を拡大し、排気のエネルギを効率的に利用可能な排気エネルギ回生装置を提供すること。【解決手段】内燃機関の排気経路に設けられる排気タービンと、前記排気タービンの回転によって発電する発電機と、を備え、前記発電機が発電する電気を蓄電する蓄電手段と電気的に接続される排気エネルギ回生装置であって、前記排気タービンの回転速度に応じて前記発電機の発電電圧を変更する発電電圧変更手段を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2017002736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気経路に設けられる排気タービンと、
前記排気タービンの回転によって発電する発電機と、を備え、
前記発電機が発電する電気を蓄電する蓄電手段と電気的に接続される排気エネルギ回生装置であって、
前記排気タービンの回転速度に応じて前記発電機の発電電圧を変更する発電電圧変更手段を備えることを特徴とする排気エネルギ回生装置。
【請求項２】
前記発電電圧変更手段と前記蓄電手段との間に配置される電力変換手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の排気エネルギ回生装置。
【請求項３】
前記発電電圧変更手段は、前記発電機の極数を変更する極数変更手段によって構成されることを特徴とする請求項１に記載の排気エネルギ回生装置。
【請求項４】
前記発電電圧変更手段は、前記発電機の極数を変更する極数変更手段によって構成され、
前記発電電圧変更手段は、極数を減ずる切り替えを前記蓄電手段の充電開始電圧の２倍以上または、充電上限電圧の２倍の電圧で行い、極数を増加させる切り替えを前記蓄電手段の充電開始電圧で行うことを特徴とする請求項２に記載の排気エネルギ回生装置。
【請求項５】
前記発電電圧変更手段は、前記発電機の極数を変更する極数変更手段によって構成され、
前記電力変換手段の入力上限電圧が、発電機の極数が減ずる切り替えが行われる電圧以上且つ、前記蓄電手段の充電開始電圧の少なくとも２倍以上であり、前記蓄電手段の充電上限電圧の2倍以下の電圧に設定されることを特徴とする請求項２に記載の排気エネルギ回生装置。
【請求項６】
前記発電電圧変更手段は、前記発電機の極数を変更する極数変更手段によって構成され、
前記電力変換手段は、昇降圧型のコンバータを有し、
前記発電機の極数を減ずる電圧と、発電機の極数を増加させる電圧の中央値と、蓄電手段の充電開始電圧とが等しく設定されることを特徴とする請求項２に記載の排気エネルギ回生装置。
【請求項７】
前記発電電圧変更手段は、前記発電機の極数を変更する極数変更手段によって構成され、
前記極数切り替え手段は、前記内燃機関の回転速度と、前記内燃機関の燃料供給量とに基づいて、前記極数を決定することを特徴とする請求項２に記載の排気エネルギ回生装置。
【請求項８】
極数切り替え手段はスイッチング手段を有し、
前記スイッチング手段は、前記発電機の極数の並列数の最大と連動して動作する複数のスイッチング手段の組の数と等しくなるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の排気エネルギ回生装置。
【請求項９】
前記発電電圧変更手段は、前記発電機の磁束密度を変更する磁束密度手段によって構成されることを特徴とする請求項１に記載の排気エネルギ回生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気エネルギ回生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気エネルギを利用して電力を回生する試みが以前から存在する。排気のエネルギを利用し過給によって内燃機関の出力増加を行うターボチャージャと発電機を組み合わせ、ターボチャージャの回転力を電力に変換する試みもなされている。
【０００３】
特許文献１には、自動車用の発電機に永久磁石を使った発電機（以下永久磁石式発電機）を用いる構成が示されている。
【０００４】
特許文献２には、ターボチャージャに取り付けられた回転電機を必要に応じて発電機運転したりモータ運転する回転電機付きターボチャージャにおいて、回転電機の固定子側巻き線と回転子側巻き線をモータ運転する場合には二重星型結線とし、発電機運転する場合には星型結線として結線切り替えを行う構成が示されている。
【０００５】
また、特許文献３には、ターボチャージャに永久磁石式発電機を用いる構成が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２３６２５９号公報
【特許文献２】特開平７−２６９３６４号公報
【特許文献３】特許第２８３６１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１で示されるように、永久磁石式発電機は、回転数に応じて発電出力も変動し、高速回転時では過大な電圧が発生することが指摘されており、したがって低速回転から高速回転に至る間に適切な出力を得るためには、高速回転時に発生する過大電圧による電気部品の過負荷を保護する、何らかの電圧調整を行う必要があることが述べられている。このような電圧調整の方法の一つに発電機の固定子並びに回転子を電磁石化する方法が提案されている。
【０００８】
例えば、特許文献２に示される回転電気付きターボチャージャの固定子並びに回転子には電磁石が用いられている。回転子を電磁石化して発電に供するために電力の供給が必要であり、例えばスリップリングなどの接触部の存在する電力供給機構が必要である。このような機構の存在により、高回転化の妨げになるばかりか、接触部が存在することによる摩耗や偏芯による振動を抑制するために周動部をより精密に製作する必要があり低コスト化の妨げになることが思料される。
【０００９】
ところで、内燃機関の排気エネルギを利用するターボチャージャは特許文献３に示されるように数千回転から数万回転という大きな回転数の変動と高速回転を行うことが示されており、高速化のために永久磁石式発電機が好適に用いられることが示されている。
【００１０】
高回転加の対応のために永久磁石発電機を採用すると発電可能な回転数が制限され、これに対して界磁電流制御が可能な電磁石を採用すると発電機に接触部が存在することによる耐久性の低下やコスト増が懸念される。
【００１１】
このような課題を鑑みて、本発明の目的は、発電可能な回転数領域を拡大し、排気のエネルギを効率的に利用可能な排気エネルギ回生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、内燃機関の排気経路に設けられる排気タービンと、前記排気タービンの回転によって発電する発電機と、を備え、前記発電機が発電する電気を蓄電する蓄電手段と電気的に接続される排気エネルギ回生装置であって、前記排気タービンの回転速度に応じて前記発電機の発電電圧を変更する発電電圧変更手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、発電可能な回転数領域を拡大し、排気のエネルギを効率的に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例に係る排気エネルギ回生装置を説明する図。
【図２】本発明の実施例に係る排気エネルギ回生装置を搭載する内燃機関を説明する図。
【図３】本発明の実施例に係る排気エネルギ回生装置を構成する発電機の回転子を説明する図。
【図４】本発明の実施例に係る排気エネルギ回生装置を構成する発電機の固定子を説明する図。
【図５】本発明の実施例に係る排気エネルギ回生装置を構成する極数変更手段を説明する図。
【図６】極数変更手段のスイッチング手段を説明する図。
【図７】スイッチング手段を構成する半導体スイッチの接続例を説明する図。
【図８】本発明の実施例に係る排気エネルギ回生装置を構成する電力変換手段を説明する図。
【図９】比較例の無負荷電圧特性を説明する図。
【図１０】巻き線切り替えによって実現する発電機の極数変化を説明する図。
【図１１】本発明の実施例に係る排気エネルギ回生装置の無負荷電圧特性を説明する図。
【図１２】内燃機関回転数と燃料噴射量とタービン回転数の関係を説明するタービン等回転数曲線。
【図１３】本発明の第５の実施例に係る排気エネルギ回生装置を説明する図。
【図１４】本発明の第６の実施例に係る排気エネルギ回生装置を説明する図。
【図１５】他の実施例に係る排気エネルギ回生装置を構成する発電機の回転子を説明する図。
【図１６】さらに他の実施例に係る排気エネルギ回生装置を構成する発電機の回転子を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態に係る排気エネルギ回生装置について以下に説明する。
【００１６】
図１に示すように、排気エネルギ回生装置１００は、内燃機関の排気経路に設けられる排気タービン１０１と、内燃機関の吸気経路に設けられるコンプレッサ１０２と、排気タービン１０１とコンプレッサ１０２とを接続する動力軸１０３とにより、ターボチャージャを構成する。動力軸１０３上には永久磁石式発電機１０４が接続され、図示しない永久磁石式発電機の回転子と動力軸１０３とは、同軸上に設けられ軸を共有する。永久磁石発電機１０４と極数変更手段１０５は、図示しない永久磁石式発電機１０４の固定子と電気的に接続される。極数変更手段１０５にはさらに電力変換手段１０６が接続され、電力変換手段１０６にはさらに、蓄電手段１０７が接続される。また、極数変更手段１０５と電力変換手段１０６の間には電圧検出手段１０８が設けられ、電力変換手段１０６と蓄電手段１０７の間には電圧検出手段１０９並びに電流検出手段１１０が設けられる。
【００１７】
排気によってタービン１０１が排気エネルギを回転力として動力軸１０３を回転させると、コンプレッサ１０２並びに発電機１０４が回転駆動される。コンプレッサ１０２は回転力によって吸気を圧縮することで内燃機関へ供給する新気の導入量を増やし内燃機関の出力増加を図ることができる。他方、発電機１０４が回転駆動されることで動力軸１０３の回転力を電力に変換する。発電機１０４が発生した電力は極数変更手段１０５を通じて、電力変換手段１０６にて適当な電圧に調整されたのち蓄電手段１０７を充電する。このようにして排気エネルギ回生装置１００は内燃機関の排気エネルギを電力として回生する。
【００１８】
図２には排気エネルギ回生装置１００を搭載する内燃機関２００の構成を示す。内燃機関２００は燃焼室２０１と燃焼室２０１へ新気を導入する吸気経路２０２と燃焼室２０１内での燃焼により生じた燃焼ガスを排出する排気経路２０３で構成される。
【００１９】
燃焼室２０１は吸気弁２０４並びに排気弁２０５及びピストン２０６と図示しないピストン２０６に設けられたピストンリングによって気密される構造であり、吸気経路２０２、並びに吸気弁２０４を通じて燃料と空気の混合気を導入し、点火コイル２０７による火花点火等によって混合気を燃焼させ、燃焼によって生じる燃焼ガスの圧力でピストン２０６を押し、ピストン２０６はコネクティングロッド２０８を介して図示しないクランクピンとクランクアームで構成されるクランクシャフト２０９を通じてピストン２０６の往復運動を回転運動に変換する。このようにして内燃機関２００は燃料の化学エネルギを燃焼による圧力変化によって駆動力へ変換することができる。燃焼室２０１で生じた燃焼ガスは排気経路２０３を通じて排出される。
【００２０】
吸気経路２０２の上流には吸気取り込み口２１０があり、ここには図示しないエアクリーナーなどの防塵フィルタが備えられていても良い、エアクリーナーを設けることで、燃焼室２０１へ導入される新気に大気中のちりや埃を取り除いた清浄な新気を導入することができる。また、吸気経路２０２には図１にも示した排気エネルギ回生装置を構成するコンプレッサ１０２が設けられる。コンプレッサ１０２は吸気経路２０２内の新気を圧縮することで燃焼室２０１へ導入する新気の量を増大し、内燃機関２００の出力増加を図ることが出来る。コンプレッサ１０２の下流には図示しないインタークーラが設けられていても良い。コンプレッサ１０２で新気を圧縮することによって生じた新気の温度上昇や排気からの熱の伝達によって新気が加熱されることで密度が低下し、燃焼室２０１へ導入される新気の量が減少し、内燃機関の出力が低下することを抑制する効果を期待できる。
【００２１】
コンプレッサ１０２又は図示しないインタークーラの下流にはスロットル弁２１０が設けられる。スロットル弁２１１にはバタフライバルブなどを好的に用いることができ、スロットル弁の回転運動を伴う開度調整によって燃焼室２０１へ導入する新気の量を調量できる。この開度調整はスロットル弁２１１に設けられたスロットル開度センサ２１２の検出結果などに基づき提供される。スロットル弁２１１の下流にはサージタンク２１３が設けられ、サージタンク２１３より吸気マニフォールド２１４を通じて燃焼室２０１へ吸気が分配される。吸気マニフォールド２１４は内燃機関２００が複数の燃焼室２０１を備える場合に各燃焼室へ新気を分配する分配経路としての役割を備えている。
【００２２】
燃焼室２０１で燃料と新気を混合した混合気を得るために、燃料供給装置２１５が設けられる。燃料供給装置２１５は図が示すように燃焼室２０１内へ直接燃料を供給するように燃料供給装置が設けられていても良く、図示はしないが前述の吸気マニフォールド２１３に設けられていても良い。また、前述の燃焼室２０１内へ直接燃料を供給できる位置及び、前述の吸気マニフォールド２１３に設けられていても良い。
【００２３】
燃焼室２０１内で燃料と新気を所望の割合で混合するために吸気経路２０２には新気の量を計測又は推定するための各種センサが設けられる。吸気取り込み２０９至るコンプレッサ１０２間には例えばエアフローメータ２１６等に代表される新気の質量流量計測センサが設けられる。若しくはサージタンク２１３内に圧力センサ２１７が設けられる。これらのセンサはいずれか１つによって燃焼室２０１へ導入する新気の量を計量又は推定しても良く、二つ以上のセンサを組み合わせて新気の量を計量又は推定しても良い。
【００２４】
燃焼室２０１で生じた燃焼ガスは排気弁２０５、排気マニフォールド２１８を含む排気経路２０３を通じて排出される。排気経路２０３上には排気エネルギ回生装置を構成する排気タービン１０１が設けられる。排気タービン１０１の下流には図示しない触媒コンバータやマフラーなどの適当な排気浄化装置や消音装置が設けられ、テールパイプ２１９を通じて燃焼ガスは大気へ放出される。
【００２５】
内燃機関２００にはクランクシャフト２０９の回転角度を検出するクランクアングルセンサ２２０が設けられており、前述した吸気弁２０４、排気弁２０５の開閉及び燃料噴射装置２１５の燃料噴射や点火コイル２０７による火花点火のタイミングがクランクシャフト２０９の回転角度に同期して制御される。またクランクアングルセンサ２０９は検出した回転角度の変化量から内燃機関２００の回転速度を検出することも可能である。
これまでに述べた電圧検出手段１０８や１０９、電流検出手段１１０、スロットル開度センサ２１２やエアフローセンサ２１６、圧力センサ２１７並びにクランクアングルセンサ２２０によって得られた内燃機関２００の制御に必要な各計測結果は、コントローラ２２１へ送信される。
【００２６】
コントローラ２２１は、前述のセンサなどから検出された内燃機関２００の状態に基づき、内燃機関２００を所望の状態にするための適当な制御を提供する。
コントローラ２２１には前述のセンサから得られた電気信号を量子化するためのアナログデジタル変換機（A/Dコンバータ）やコントローラ２２１内で制御を実施するために実装されたプログラムと、前記のプログラムを実行するためのマイコンや前記プログラムを格納する二次記憶装置と、実行中のプログラムや処理中のデータを保存する一次記憶装置、さらには例えば、内燃機関２００が車両に搭載される場合には、アクセルペダル２２２の踏量を検出するアクセルペダルセンサ２２３やブレーキペダル２２４の踏量を検出するブレーキペダルセンサ２２５等も接続される。その他、かじ取り装置から得られる舵角情報や、車両の周辺をセンシングする外界認識手段、車両を制御する他のコントローラとの通信ポートなどによって相互が接続される構成となる場合もある。
【００２７】
内燃機関２００へ出力を増加する要求はアクセルペダルセンサ２２３で計測されるアクセルペダル２２２の踏量から検出される。アクセルペダルセンサ２２３からコントローラ２２１へ出力増加要求が伝達されると、コントローラ２２１はスロットル弁２１１の開度を増加させる。スロットル弁２１１の開度増加はスロットル開度センサ２１２の検出結果により確認される。スロットル弁２１１が開くことで、吸気経路２０２を通過する新気の流量が増加する。この新気の流量増加はエアフローメータ２１６やサージタンク２１３内の圧力センサ２１７によって検出、計量され、適当な混合比となるようにコントローラ２２１内で必要な燃料の量を計算し、コントローラ２２１は燃料供給装置２１５を制御して燃料を燃焼室２０１へ供給する。また、コントローラ２２１はクランクアングルセンサ２２０の検出するクランク角度に同期して適当なタイミングに点火コイル２０７へ点火指令を送信する。このようにすることで燃焼室２０１内では供給された燃料に対して最適な燃焼状態を実現することができより効率よく燃料の化学エネルギを駆動力へ変換することができる。
【００２８】
図３には排気エネルギ回生装置を構成する発電機１０４の２極構成の回転子を示す。図３(ａ)には回転子３００の概略斜視図を示している。回転軸３０１は排気エネルギ回生装置１００の排気タービン１０１ならびにコンプレッサ１０２とを接続する動力軸１０３と軸を共有するものであってよい。回転軸３０１の円周上に永久磁石３０２ａならびに永久磁石３０２ｂが設けられる。図３（ｂ）は回転子３００の回転軸３０１に垂直な方向の断面図を示す。永久磁石３０２ａならびに永久磁石３０２ｂは、永久磁石が回転子内に埋め込まれる埋め込み型の構造を有する。また、永久磁石３０２ａと３０２ｂは円周上の表面方向に向かう永久磁石３０３の極性がお互いに異なるように構成される。回転子３００は、このような埋め込み型の構造ではなく、図示はしないが例えば複数の永久磁石３０３を保持材３０４の円周上の表面に設ける表面磁石型の構造であっても良い。
【００２９】
図４には排気エネルギ回生装置を構成する発電機１０４の固定子４００を示す。図４に示した固定子４００は図３（ｂ）に示した回転子と同様に回転軸に垂直な方向の断面図である。また、説明に必要な一部分の構造のみを図示している。固定子４００は、図３に示した回転子３００の外側に設けられ、内周面に開口するスロットＳ１〜Ｓ３２（ただしＳ１１〜Ｓ２４は省略してある）を備える鉄心４０１と巻き線４０２とで構成される。また、鉄心４０１には巻き線４０２を挿入するための開口部４０３を備えており、スロットＳ１とＳ２に挟まれるように歯部４０４が存在し、磁気回路を構成する。スロットＳ９とＳ１０に挟まれた歯部４０４ｂを挟むように存在する巻き線４０２ａならびに４０２ｂと対向するスロットＳ２５とＳ２６に挟まれる歯部４０４ｃ及び巻き線４０２ｃならびに４０２ｄによって、固定子４００の１極が構成される。
【００３０】
図５には排気エネルギ回生装置を構成する極数変更手段１０５の構成を示す。極数変更手段１０５はスイッチング手段５００とそれを制御するコントローラ５０１によって、発電機１０４の巻き線４０２の接続状態を切り替える。図５は２極〜１６極の接続が可能な極数変更手段１０５を示しており、スイッチング手段５００の接続状態によって２極８並列、４極４並列、８極２並列、１６極直列接続を実現する。なお、極数変更手段１０５は、巻き線４０２の接続状態を切り替える巻き線切替手段と称することもできる。
【００３１】
スイッチング手段５００の構成を図６に示す。スイッチング手段５００は、二つのスイッチが連動するような構成となっており、端子１番から２または３番、端子４番から５または６番へ接続される。コントローラ５０１からの指令により、１→２ならびに４→５（図５（ａ）参照）または、１→３ならびに４→６（図５（ｂ）参照）の経路を導通させる。なお、スイッチング手段５０１を構成するスイッチは接点式のもののほか、半導体式のスイッチを用いることができる。半導体スイッチには例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(ＩＧＢＴ)やサイリスタ、電界効果トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴなど）を用いることができる。このような半導体スイッチは単体で３路スイッチを構成することができないため、図７に示すような駆動信号に対して排他的に一方のスイッチを導通させる構成とすることで半導体スイッチを用いる場合にあってもスイッチング手段５０１を構成することが可能となる。スイッチング手段５０１のスイッチに半導体スイッチを用いることで機械接点に対して電気火花の発生を抑制することによる長寿命化が期待できる。なお、コントローラ５０１は内燃機関２００を制御するコントローラ２２１がその制御を兼ねる構成としてもよく、内燃機関２００を制御するコントローラ２２１とコントローラ５０１とが必要な情報を通信しあうことでスイッチング手段５００を制御する構成であっても構わない。
【００３２】
排気エネルギ回生装置を構成する電力変換手段１０６について説明する。図８には排気エネルギ回生装置を構成する電力変換手段１０６を示す。電力変換手段１０６は、発電機１０４と極数変更手段１０５より出力された交流電圧を直流に変換する整流手段８００と蓄電手段１０７を充電するために適当な電圧に変換する電圧変換手段８０１とを備える。前記整流手段８００はダイオードを用いたダイオードモジュール（ダイオードブリッジ）であり、前記電圧変換手段８０１は降圧コンバータである。電圧変換手段８０１へはＰＷＭ駆動信号が入力されており、パルス幅変調方式による電圧調整がなされる。この電圧は蓄電手段１０７の充電に適当な電圧である。
【００３３】
蓄電手段１０７は例えば二次電池であり、鉛蓄電池やリチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池のような化学電池のほか、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタなどのハイブリッドキャパシタなどの物理電池を用いることもできる。
【００３４】
以上、排気エネルギ回生装置の構成を説明した。ここからは、実施例を用いて排気エネルギ回生装置によって得られる効果を説明する。
【実施例１】
【００３５】
図２に示した排気エネルギ回生装置を搭載する内燃機関を例に、第１の実施例について説明する。
【００３６】
上述したように、排気エネルギ回生装置は、内燃機関２００の排気経路２０３に設けられる排気タービン１０１と、発電機１０４と、発電機１０４の巻き線を切り替える極数変更手段１０５と、前記発電機１０４に接続される電力変換手段１０６とを備え、蓄電手段１０７と電気的に接続される。
【００３７】
ここで、内燃機関２００の排気経路２０３に設けられる発電機１０４として、極数変更手段１０５の無い永久磁石式発電機を用いると、発電機１０４の無負荷電圧出力特性は図９に示すようなものとなる。
【００３８】
比較例１は、発電機１０４の回転速度が比較的低回転な領域において充電が可能となるように設定された例である。比較例１では，発電機１０４の回転速度が低い回転において蓄電手段１０７が充電を開始する充電開始電圧に到達するため、電力変換手段１０６の入力上限電圧を超過して蓄電手段１０７を充電することができなくなる入力上限電圧にも比較的低回転で到達し、比較例１の有効な発電機回転数領域が小さい。  また、比較例２は、発電機１０４の回転速度が比較的低回転な領域において充電が可能となるように設定された例である。比較例２では、発電機１０４の回転数が比較的高回転になるまで充電開始電圧に到達せず、比較例１に対して比較例２の有効な発電機回転数領域が拡大するものの、発電機１０４の回転数速度が高回転となるまで蓄電手段１０７の充電が行われない。
【００３９】
これに対し、本実施形態の排気エネルギ回生装置１００は、発電機１０４内の巻き線を切り替える極数変更手段１０５を備えることにより、上記有効な発電機回転数に対する、低回転から発電を開始する場合に有効な発電機回転数域が小さくなる課題と、発電機回転数が高回転となるまで充電開始電圧に到達できない課題とを解決することができる。
【００４０】
第1の実施例では、発電機１０４の固定子巻き線を極数変更手段１０５によって、例えば、１６極→８極→４極→２極と変化させる。このとき図１０に示すように、巻き線４０２の接続が直列接続から並列接続へと切り替わり、その結果発電機回転数に略比例的に変化する発電機１０４の無負荷電圧が図１１のように変化する。
【００４１】
この結果、本実施例１のように巻き線切り替えにより蓄電手段１０７の充電開始電圧至る電力変換手段１０６の入力上限電圧間に発電機の無負荷電圧が制御される。このように巻き線切り替えを実施することで、発電機１０４の回転数に略比例的に上昇する無負荷電圧の傾きが変化し、且つ、巻き線切り替えによって発電機１０４が同一回転数にあるとき極数を2分の１にすることで発電機１０４の無負荷電圧も2分の1になる。
【００４２】
このため、有効な発電機回転数範囲が拡大すると共に、発電機回転数が低い場合にあっても蓄電手段１０７の充電開始電圧を得られる発電機１０４の巻き線を構成することができ、発電機回転数によらず効率的に排気のエネルギを回生することができる。
【００４３】
このようにして、発電機回転数によらず排気のエネルギを効率よく回生し、内燃機関のエネルギ効率を高めることができる。以上により本発明の第１の請求項の発明によって得られる効果が示された。
【実施例２】
【００４４】
次に、第２の実施例について説明する。
【００４５】
第２の実施例では、第１の実施例における発電機１０４の巻き線切り替えの際、極数切り替え手段は、極数を減ずる切り替えを蓄電手段１０７の充電開始電圧の２倍または、充電上限電圧の２倍で行い、極数を増加させる切り替えを蓄電手段１０７の充電開始電圧で行う。その他構成は第１の実施例と同じである。
【００４６】
本実施例の排気エネルギ回生装置の発電機１０４は、極数変更手段１０５による巻き線切り替えによって、極数が例えば１６極から８極に変化する場合には無負荷電圧が約２分の１になる。したがって、極数切り替え後の無負荷電圧が蓄電手段１０７の充電開始電圧以上でなければ、蓄電手段１０７を充電することができず、したがって、排気のエネルギを回生することができない。
【００４７】
このため、第２の実施例では、極数切り替え手段は、発電機１０４の巻き線切り替えについて、極数を減ずる切り替えを、蓄電手段１０７の充電開始電圧の２倍以上または、充電上限電圧の２倍以上で行い、極数が増加する切り替えを蓄電手段１０７の充電開始電圧で行う。
【００４８】
このようにすることで、発電機１０４の極数が減少し発電機１０４の無負荷電圧が低下しても、蓄電手段１０７を充電可能な電圧が維持されるため、蓄電手段１０７を継続して充電することが可能となり、ひいては排気のエネルギを効率よく回生できる。すなわち、本実施例では、極数を減ずる切り替えが行われても蓄電手段を継続して充電することが可能となり排気エネルギを効率よく回生できる。
【実施例３】
【００４９】
次に、第３の実施例について説明する。
【００５０】
第３の実施例は、第１または第2の実施例における電力変換手段１０６の入力上限電圧が、発電機１０４の極数が減ずる切り替えが行われる電圧以上且つ、蓄電手段１０７の充電開始の少なくとも２倍以上の電圧に設定される。
【００５１】
電力変換手段１０６に降圧コンバータを含む場合には、降圧コンバータの入力上限電圧を適当な電圧に設定し設計を行う必要がある。降圧コンバータは例えば、図８に示したような回路により構成されるが、出力電圧の調整にはパルス幅変調信号を用いている。入力電圧を適当な電圧に降圧する場合に、その電圧差が大きなほど、パルス幅変調におけるオン時間を短くする必要があり、オン時間の減少に伴って適切にスイッチング素子が作動しなくなる虞がある。
【００５２】
したがって、電力変換手段１０６へ入力する発電機１０４の電圧は蓄電手段１０７の充電開始電圧と比較して過大とならないように設定されることが好ましい。このため、本実施例における、電力変換手段１０６の入力上限電圧は、発電機１０４の極数が減ずる切り替えが行われる電圧以上且つ蓄電手段１０７の充電開始電圧の少なくとも２倍以上としている。また、上記に加えて、電力変換手段１０６の入力上限電圧は、蓄電手段１０７の充電上限圧の2倍以下に設定されるとよい。
【００５３】
例えば、蓄電手段１０７の充電上限電圧の２倍の電圧が電力変換手段１０６に入力される場合には、蓄電手段１０７を充電するために必要なパルス幅変調信号のスイッチング周期に対するオン時間の比すなわちデューティファクタは０．５となる。この場合には適当なスイッチング周期に対して、半導体スイッチがオンにとなる時間とオフとなる時間が等しく与えられるため、前述したような半導体スイッチが動作できない状態を回避することができ、したがって効率よく排気のエネルギを回生して蓄電手段を充電することができる。
【００５４】
すなわち、本実施例によれば、電力変換手段に降圧コンバータを含む場合にあっても、適切に半導体スイッチを動作させることが可能となり、発電機の無負荷電圧が上昇しても、蓄電手段を継続して充電することができるため、排気のエネルギを効率よく回生できる。
【実施例４】
【００５５】
次に、第４の実施例について説明する。
【００５６】
第４の実施例は、前記第１から第３の実施例のうち、電力変換手段１０６に昇降圧コンバータを用いる点、ならびに、発電機１０４の極数が減ずる巻き線切り替えを行う電圧と発電機１０４の極数が増加する巻き線切り替えを行う電圧の中央値と蓄電手段１０７の充電開始電圧が等しくなるように設定される点が異なるだけであり、その他の構成は前記いずれかの実施例と同じである。
【００５７】
第４の実施例では、電力変換手段１０６に昇降圧型のコンバータを用いることで、発電機１０４の極数が減ずる巻き線切り替えを行った場合に切り替え後の発電機１０４の無負荷電圧が逐電手段１０７の充電開始電圧以下となっても昇圧動作により充電を継続することができる。
【００５８】
昇降圧コンバータも前記降圧型のコンバータと同様にパルス幅変調信号によって駆動されるため、発電機１０４の無負荷電圧が蓄電手段１０７の電圧よりも高い場合には降圧動作を行い、逆に発電機１０４の無負荷電圧が蓄電手段１０７の電圧よりも低い場合には昇圧動作を行う。蓄電手段１０７の電圧と発電機１０４の電圧差が大きなほど、コンバータによって昇降圧操作を行うことが困難となる可能性が高くなることを先に述べた通りである。
【００５９】
発電機１０４の極数が減ずる巻き線切り替えを行う電圧と発電機１０４の極数が増加する巻き線切り替えを行う電圧との中央値と蓄電手段１０７の充電開始電圧が等しくなることで、蓄電手段１０７と発電機１０４の電圧差を極力小さくできる。このようにすることで蓄電手段１０７へ継続して充電を行うことが可能となり、排気エネルギを効率よく回生できる。
【００６０】
すなわち、電力変換手段に昇降圧型のコンバータを有する場合に、発電機の極数を減ずる巻き線切り替えが行われる電圧と発電機の極数を増加させる巻き線切り替えが行われる電圧の中央値と、蓄電手段１０７の充電開始電圧とが等しくなることによって、蓄電手段と発電機の電圧差を極力小さくできる。このようにすることで蓄電手段へ継続して充電を行うことが可能となり、排気エネルギを効率よく回生できる。
【実施例５】
【００６１】
次に、第５の実施例について説明する。
【００６２】
第５の実施例では、内燃機関２００の排気経路２０３に設けられ、巻き線を切り替える極数変更手段１０５を備える発電機１０４と、前記発電機１０４に接続される電力変換手段１０６と、前記電力変換手段１０６と電気的に接続される蓄電手段１０７を備え、前記極数変更手段１０５は、前記内燃機関２００の回転速度と燃料噴射量に基づき、前記巻き線切り替えによって切り替えられる発電機１０４の極数を選択する。
【００６３】
内燃機関２００の排気経路に設けられるタービン１０１の回転速度は、内燃機関２００の運転状態によって変化する。これは、内燃機関２００の回転速度と燃料噴射量により内燃機関２００の排気ガスの流量が変化するためである。内燃機関２００は吸気経路２０２より取り入れた空気と燃料噴射装置２１５より噴射した燃料を混合し、燃焼させることによって駆動力を得ている。
【００６４】
したがって、吸気経路２０２より取り入れる新気量が多いほど、その出力は増大すると共に、排気の流量も増大する。排気の流量が増加することはすなわち排気経路２０３設けられた排気タービン１０１を通過する排気の流量が増加することであり、これに伴って排気タービン１０１の回転速度、ひいては駆動軸１０３と軸を共有する発電機１０４の回転数が増加する。内燃機関２００の取り入れる新気の量が増加するのに伴って、内燃機関２００へ供給する燃料の量も増加する。これは、内燃機関２００の吸気経路２０２に設けられた流量センサ２１６またはサージタンク２１３内に設けられた圧力センサ２１７のいずれかまたは両方を用いて得られた内燃機関２００の燃焼室２０１に導入された新気の量に対して適当な混合比の燃料を供給するためであり、これは内燃機関２００の排気の悪化を抑制し燃費を低減するために不可欠である。
【００６５】
第５の実施例では、内燃機関２００の回転速度と内燃機関２００への燃料供給量に基づき、発電機１０４の極数変更手段１０５によって選択される発電機１０４の極数を選択する。内燃機関２００の回転速度と燃料噴射量とタービン回転数との関係は例えば図１２に示すようなタービンの等回転数曲線として整理することができる。燃料噴射量は燃料供給装置２１５へ入力される燃料噴射司令から計測することができる。
【００６６】
例えば、燃料噴射装置２１５は電磁弁の開閉によって燃料噴射状態と燃料噴射の停止状態を切り替えており、電磁弁の駆動に必要な電力の供給の有無（例えば、パルス状に与えられる信号のパルス幅や燃料供給装置２１５の駆動電流の計測）を計測することで燃料噴射量を検出することができる。
【００６７】
図１３に示すように内燃機関２００の回転速度と燃料供給装置２１５から供給する燃料噴射量からタービン１０１の回転数、ひいては発電機１０４の回転速度を得て、これには実験的に得られたタービン回転数マップを好適に用いることができる。タービン回転数マップは、一方の軸を内燃機関２００の回転速度、他方の軸を燃料噴射量とした２次元ルックアップテーブルであり、内燃機関２００の回転速度と燃料噴射量の検出結果からタービン回転速度を得ることができる。
【００６８】
得られた発電機回転速度から極数変更手段１０５が選択すべき発電機１０４の極数を選択する。これは発電機回転数に対する無負荷電圧の計測結果を実験的に整理した発電機回転数-電圧二次元ルックアップテーブルを作成したり、適当な発電機回転数に対する無負荷電圧出力モデルを作成し、発電機回転数を説明変数とする発電機モデルを用いて演算をしても良い。
【００６９】
無負荷電圧の出力予測結果を用いて、電力変換手段１０６の入力電圧に則した発電機１０４の出力電圧が入力されるように極数変更手段１０５は発電機１０４の巻き線を適当な極数となるように変更する。発電機１０４の極数と無負荷電圧の関係は図１０でも説明をしたように、巻き線の直列又は並列接続の組み合わせとなる。
【００７０】
したがって巻き線の直列数と並列数の組み合わせにおいて、巻き線が同一の直列数となるように並列させるのがより好ましく、したがって単相の交流出力の発電機であれば、その極数は１６極、８極、４極、２極の組み合わせを実現できることが望ましい。また、その極数は図１１で説明した極数以上で構成されていても良く、３２極、６４極などでも良くその組み合わせの数や選ばれる極数は限定されない。なお、最小の極数は2極に限定されるものでもない。
【００７１】
これらの処理は、内燃機関２００のコントローラ２２１で行われてもよく、極数切り替え手段１０５のコントローラ５０１が行ってもよく、それぞれがその役割を分担してもよい。
【００７２】
タービン回転数マップは実験によって内燃機関２００の回転速度と燃料噴射装置２１５の燃料噴射量に対するタービン１０１の回転速度を計測したタービン等回転数曲線から作成できる。タービンの回転数は、タービンの動力軸に回転数ピックアップを取り付けて計測するほか、動力軸に取り付けた発電機の出力電圧から推定した結果を用いてもよい、これは発電機回転数と無負荷電圧の関係が既知であれば内燃機関２００に本発明の排気エネルギ回生装置を搭載した後にも発電機回転数、すなわちタービン回転数を検出可能であることを意味する。
【００７３】
このようにすることで、内燃機関２００の動作状態に応じてタービン１０１の回転数、ひいては発電機１０４の回転数が変化した場合にあっても、蓄電手段１０７を充電するために必要な発電機１０４の電圧を出力する発電機１０４の極数を極数変更手段１０５が適切に選択できるようになり、蓄電手段１０７を継続して充電することが可能となり、排気エネルギを効率よく回生できる。
【００７４】
内燃機関の２００は例えば、車両に搭載されており、その運転状態が絶えず変化している。また、内燃機関２００の排気ガスの流量は直ちに変化するものではなく、ある運転状態にあってある流量の排気ガスが得られている状態から、過渡的に遅れを伴って前記ある運手状態とは異なる運転状態、ひいては排気ガスの流量へと変化する。
【００７５】
したがって内燃機関２００の運転状態に従って、排気タービン１０１の回転速度、ひいては発電機１０４の回転数が変化するために、内燃機関２００の運転状態に合わせて発電機１０４が適当な発電電圧を出力できるよう制御を加える必要がある。さもなければ、発電機１０４の回転数の上昇に伴って、発電機１０４の出力電圧が上昇し、電力変換手段１０６の入力上限電圧を超過して、蓄電手段１０７の充電を停止せざるを得なくなる虞や、発電機１０４の回転数が減少し、蓄電手段１０７の充電開始電圧を下回って、やはり蓄電手段１０７の充電が停止する虞がある。
【００７６】
すなわち、第５の実施例のように、内燃機関の回転速度と、内燃機関の燃料供給量とに基づいて、発電機の巻き線を切り替える極数変更手段１０５が選択する発電機１０４の極数を決定することで、内燃機関の運手状態によって発電機１０４の回転数、ひいては発電電圧が変化する場合にあっても蓄電手段へ継続して充電を行うことが可能となり、排気エネルギを効率よく回生できる。
【実施例６】
【００７７】
第６の実施例について説明する。第６の実施例は、図１４に示すように、スイッチング手段５０１を巻き線４０２の最大の並列数と同数用いる構成となる（２極８並列の時８個）ほかは、その他の実施例と同様である。本実施例のように、巻き線切り替えにより実現される巻き線の並列数と同数のスイッチング手段を極数変更手段１０５に備える。このようにすることで、最大の並列数となる接続を行った場合にも、経路上に存在する巻き線４０２とスイッチング手段５０１の数が並列する何れの極でも同数となる。したがって、並列間の相互で発生電圧が異なることを抑制でき、発電機の損失を低減して排気エネルギを効率よく回生できる。
【００７８】
すなわち第６の実施例のようにスイッチング手段は、極数変更手段１０５を備える発電機の巻き線の並列数の最大と連動して動作する複数のスイッチング手段の組の数が等しくなるように構成される。このようにすることで、並列間の相互で発生電圧が異なることを抑制でき、発電機の損失を低減して排気エネルギを効率よく回生できる。以上により第６の実施例の効果が示された。
【００７９】
なお、本実施形態の発電機にはアキシャルギャップ式の発電機を用いることもできる。
【００８０】
また、本実施形態は発電機の極数を巻き線切り替えによって変更することで、発電機の発電電圧（出力電圧）を変更するものであったが、これに限定されず、永久磁石の打ち消し磁束を発生させ回転子の磁界の強度を変更することで発電機の発電電圧を変化させるものであってもよい。
【００８１】
例えば、図１５（ａ）には回転子を回転軸に略垂直な面で複数に分割したリング状の磁石の一部を回転方向に回転することで打ち消し磁束を発生させることにより回転子の磁束密度を減少させる構成を示した。
【００８２】
回転子５００は図３（ａ）に示した回転子同様、回転軸５０１並びに、磁石５０２より構成される。ここで磁石５０２は回転子５００の軸方向に略垂直な面で分割されている。極性の同じ磁石５０２ａ、５０２ｃと磁石５０２ｂ、５０２ｄはそれぞれが回転子５００の回転方向に移動可能に構成されており、例えば、図１５（ａ）の様に磁石５０２ｃ及び５０２ｄの組みが回転子５００の回転方向に移動することより、極性の違う磁石が回転子５００の軸方向に重なりあう領域５０３が形成される。前記の磁石５０２が重なり合う領域５０３では、隣り合う磁石によって打ち消し磁束を生じることで回転子の磁束密度が減少し、発電機定数を変更できる。また。磁石５０２は図１５（ａ）の様に回転子５００の軸方向に積み重なるように配置されても良く、図１５（ｂ）並びに図１５（ｃ）の様に同心円状に配置されても良い、磁石５０２同心円状に配置される場合にも例えば、図１５（ｃ）の様に回転子５００のより内側に配置される磁石５０２ｃ並びに５０２ｄが回転子５００の回転方向にずれることで打ち消し磁束を生じることができる。
【００８３】
図１６には、回転子に設けられた巻き線により打ち消し、磁束を発生させて磁束密度を減少させる構成を示した。回転子６００は回転軸６０１と磁石６０２とそれを保持する保持材６０３、並びに巻き線６０４により構成される。巻き線６０４へ電流を印加することにより巻き線６０４と隣り合う磁石６０２に対して打ち消し磁束が発生し、結果回転子６００の磁束密度が減少し、発電機定数を変更できる。このような場合には巻き線６０４に対して前述とは逆向きに電流を印加することにより、重ね合わせ方向に磁束を発生させて回転子の磁束密度を増加することも可能となる。この場合には回転子６００の磁束密度が増加し、発電電圧が増加するように発電機定数を変更できる。
【００８４】
また、本発明の実施形態の説明に用いた図は、自動車用オットーサイクルガソリンエンジン意図して描かれているが、内燃機関の種別はこれに限られたものではない。内燃機関はディーゼルエンジンでもよく、また気筒数に制限が設けられるものでもない。さらにはピストンによる往復運動をクランク機構によって動力に変換するレシプロエンジンに限られたものでもなく、ヴァンケルエンジンであっても良い。
【００８５】
また、本発明の実施形態並びにその説明に用いた図では発明の説明に必要な機能、構成のみを記載している。実際に発明を実施する場合にあっては従来公知の技術を使って本発明のある実施形態において説明の無い制御や機能は達成される。
【００８６】
本発明は必ずしも説明したすべての構成が含まれることによって特徴づけられるものでは無く、説明した実施形態の構成に限定されるものでは無い。ある実施形態の一部を別の実施形態に置き換えることが可能であり、その特徴を著しく変更しない限り各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換が可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１００…排気エネルギ回生装置、１０１…排気タービン、１０２…コンプレッサ、１０３…動力軸、１０４…発電機、１０５…極数変更手段、１０６…電力変換手段、１０７…蓄電手段、１０８，１０９…電圧検出手段、１１０…電流検出手段、２００…内燃機関、２０１…燃焼室、２０２…吸気経路、２０３…排気経路、２０４…吸気弁、２０５…排気弁、２０６…ピストン、２０７…点火プラグ、２０８…コネクティングロッド、２０９…クランクシャフト、２１０…吸気取り込み口、２１１…スロットル弁、２１２…スロットル開度センサ、２１３…サージタンク、２１４…吸気マニホールド、２１５…燃料供給装置、２１６…エアフローメータ、２１７…圧力センサ、２１８…排気マニフォールド、２１９…テールパイプ、２２０…クランクアングルセンサ、２２１…コントローラ、２２２…アクセルペダル、２２３…アクセルペダルセンサ、２２４…ブレーキペダル、２２５…ブレーキペダルセンサ、３００…回転子、３０１…回転軸、３０２…永久磁石、３０３…永久磁石、３０４…保持材、４００…固定子、４０１…鉄心、４０２…巻き線、４０３…開口部、４０４…歯部、Ｓ１〜Ｓ３２…スリット、５００…スイッチング手段、５０１…コントローラ、５０２…出力端子、８００…整流手段、８０１…電圧変換手段
【図１】
2017002736.tif 000003
【図２】
2017002736.tif 000004
【図３】
2017002736.tif 000005
【図４】
2017002736.tif 000006
【図５】
2017002736.tif 000007
【図６】
2017002736.tif 000008
【図７】
2017002736.tif 000009
【図８】
2017002736.tif 000010
【図９】
2017002736.tif 000011
【図１０】
2017002736.tif 000012
【図１１】
2017002736.tif 000013
【図１２】
2017002736.tif 000014
【図１３】
2017002736.tif 000015
【図１４】
2017002736.tif 000016
【図１５】
2017002736.tif 000017
【図１６】
2017002736.tif 000018