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JP2012126197A - ハイブリッド車両 - Google Patents

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正弘 山崎
Yoshimasa Hayashi
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Abstract

【課題】エンジンの排気エネルギーを回収して総合熱効率を向上させる。
【解決手段】本発明は、エンジン１及びモータ１３を駆動源として走行可能なハイブリッド車両であって、エンジン１の排気によって回転駆動される排気タービン６と、排気タービン６によって回転駆動されることで発電する発電機２と、発電機２によって発電された電力をモータ１３へと供給する電力供給手段１０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド車両においてエンジンの排気エネルギーを回収する技術に関する。
エンジン及びモータによるハイブリッドシステムは、エンジンを発電專用としてモータの動力のみによって走行するシリーズ型と、エンジン及びモータの動力を併用して又は一方の動力のみによって走行するパラレル型と、並びにこれらシリーズ型及びパラレル型を合わせたシリーズパラレル型（スプリット型）とに分類できる。このようなハイブリッドシステムを搭載する車両において、例えば特許文献１には、減速時や降坂時にモータジェネレータが車輪側から駆動されることで車両の運動エネルギーや位置エネルギーを電気エネルギーに変換し回収すると同時に、回収された電気エネルギーを利用して加速時にはエンジンをアシストし、低速走行時にはモータの動力のみで走行することが記載されている。
特開２０００−２２５８７１公報
しかし、上記のようなハイブリッド車両では、回収される電気エネルギーの基は、エンジンがした仕事である。すなわち、回収されるエネルギーはエンジンの正味仕事から得られた電気エネルギーである。
エンジンに供給された燃料の有する熱エネルギーのうち、有効に動力に使われる割合は最高でも３０〜３４％である。一方、排気として捨てられるエネルギーは熱エネルギー（Ｊ）と、圧力Ｐ（Ｐａ）と流量Ｖ（ｍ３）との積ＰＶ（Ｎｍ＝Ｊ）である動的エネルギーとであり、この熱エネルギーと動的エネルギーとの合計は３５％にも達する。また、冷却系に捨てられる熱は２０〜３０％、エンジン表面から放射される割合は５％程度である。
ここで、排気の流量Ｖを単位時問当たりの流量（ｍ３／ｓ）とすると、圧力と流量との積ＰＶの単位はＪ／ｓ＝Ｗとなる。この排気が有するエネルギーを仕事に変換する方法として、排気タービンで回転動力として回収し、この回転動力をギアを介してクランクシャフトに伝えることが考えられる。
しかし、排気タービンとクランクシャフトとの回転速度差が大きいため、排気タービンの回転速度を減速して伝達する減速機構が複雑になり、その分フリクションの増加などによって動力の一部が無駄になる。結果として３％程度しかパワーアシスト効果を発揮することができない。
本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであり、エンジンの排気エネルギーを回収して総合熱効率を向上させることを目的とする。
本発明のある態様によれば、エンジン及びモータジェネレータを駆動源として走行可能なハイブリッド車両であって、エンジンの排気によって回転駆動される排気タービンと、排気タービンによって回転駆動されることで発電する発電機と、発電機によって発電された電力をモータジェネレータへと供給する電力供給手段と、を備えることを特徴とするハイブリッド車両が提供される。
上記の態様によれば、エンジンの排気が有するエネルギーを排気タービンで回収し、回収されたエネルギーを電力に変換してモータジェネレータを駆動するので、モータジェネレータの駆動分だけエンジンの駆動力を低下させることができ、車両全体としての総合熱効率を向上させることができる。
本実施形態におけるハイブリッド車両の構成を示す概略構成図である。 ベルハウジング内にモータを組み込んだ状態を示す断面図である。 排気タービンジェネレータの構成を示す断面図である。 燃費向上の原理を説明するためのエンジン全性能図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態におけるハイブリッド車両の構成を示す概略構成図である。図２は、図１におけるクランクシャフト１９から変速機１１までの構成を示す一部断面図である。本実施形態におけるハイブリッド車両は、エンジン１、モータ１３、及び変速機１１をこの順に配置して駆動力伝達経路を構成し、エンジン１及びモータ１３の少なくとも一方の駆動力によって走行可能である。
エンジン１のクランクシャフト１９の後端には、フライホイール１５とクラッチ１４とが設けられる。また、トルクコンバーター搭載車両の場合には、クラッチ１４の代わりにドライブプレート及びトルクコンバーターが設けられる。さらに、クラッチ１４の出力側にはメインドライブシャフト１２がスプライン嵌合され、エンジン１の駆動力はフライホイール１５及びクラッチ１４を介してメインドライブシャフト１２から変速機１１に伝達される。
モータ１３は、ベルハウジング１８の内壁に固定されるケース本体２９と、ケース本体２９に固定されるステータコイル２３と、ステータコイル２３の内周側に配置される回転可能なロータ２４と、から構成される。ロータ２４の内周端には、キー、ピン、又はボルト等によってハブ２６が強固に結合される。ハブ２６は、軸方向両端であってケース本体２９との間に介装されるベアリング２１、２５によって回転自在に保持されるとともに、メインドライブシャフト１２とスプライン嵌合され、モータ１３の駆動力はメインドライブシャフト１２から変速機１１へと伝達される。
このように、エンジン１のクランクシャフト１９とモータ１３とは同軸上に配置され、変速機１１には、エンジン１及びモータ１３からのトルクが同一回転で伝達される。また、コースティング時のように駆動輪側からエンジン１へと駆動力が伝達される状態では、モータ１３を発電機として作動させ、車両の運動エネルギーを回収することが可能である。
本実施形態におけるハイブリッド車両は、上記構成に加えて、エンジン１の排気エネルギーを回収する排気タービン６と、排気タービン６の回転速度を減速して出力する減速機４と、減速機４の出力軸によって回転駆動される発電機２と、を備える。図３は、図１における排気タービン６から発電機２までの構成を示す一部断面図である。
エンジン１の排気は、排気マニホールドからスクロール４０へと勢いよく入り、排気タービン６を駆動して圧力及び温度が低下し、排気通路の途中であって排気タービン６より下流側に設けられる触媒７に流入する。
排気タービン６は、排気によって回転駆動され、この回転はカップリング５を介して減速機４へと伝達される。カップリング５は、内周にメスのスプラインやセレーションを切った円筒形状であり、伝熱防止のためにステンレスなどの熱伝導率の低い材質から成る。カップリング５は排気タービン６及び減速機４の回転軸間にガタを作ることができるので、当該回転軸を支持するベアリング３８、４４に不要の荷重が加わることを防止できる。
減速機４は、歯数の異なる２つのギアからなる２対のギアセット（４２、３５、３３、４３）を有し、排気タービン６から伝達される回転を２段で減速して出力する。なお、減速機４の段数は１段であってもよいし、３段以上であってもよい。排気タービン６の回転速度はときに100,000ｒｐｍにも達するので、その回転を減速機４によって減速してから発電機２に伝達する。発電機２は、高速回転させた方が発電効率がよいので、従来の発電機２より高速（例えば、20,000ｒｐｍ）で駆動する。
従来は発電機２をエンジン１などによって駆動しており、この場合の発電機２の回転速度は比較的低回転であり、高速駆動には限界があった。これに対して本実施形態では、高速で回転する排気タービン６によって発電機２を回転駆動するので、容易に発電機２の回転速度を高速化することができる。
排気タービン６の回転速度が限界値（例えば130,000rpm）以上となると、排気タービン６が破損する可能性がある。そこで、発電機２で発電する交流の周波数を検出し、インバータ８によって電気負荷を大きくすることで電気ブレーキをかけ、排気タービン６の過回転を抑制する。これにより、従来のターボエンジンのように、ウエストゲートバルブにより排気をバイパスする必要がないので、システムを簡素化することができる。
また、カップリング５の潤滑及び冷却、並びに減速機４の潤滑は、エンジン１のオイルポンプから吐出されたオイルによって行われる。減速機４は高温にならないため、特に冷却の必要はない。そこで、減速機４のギアケース３４の下部に設けるオイル戻し口３６は、ギアケース３４の下端より少しだけ上方に配置される。これにより、ギアケース３４の底部に溜められるオイルをギア３５によって掻き揚げることで減速機４内部のギア４２、３５、３３、４３及びベアリング４４を潤滑することができる。
一方、本実施形態におけるハイブリッド車両は、上記構成に加えてさらに、バッテリ９、インバータ８、及びコントローラ１０を備える。
バッテリ９は、発電機２で発電された電力を蓄えるとともに、モータ１３に対して電力を供給する。
インバータ８は、発電機２で発電された電力を直流へと変換してバッテリ９へと送る。また、インバータ８は発電機２の負荷を電気的に調整可能であり、発電負荷を大きくすることで排気タービン６の回転速度の上昇を抑制することができる。
コントローラ１０は、バッテリ９に蓄電された電力をモータ１３へと供給するとともに、エンジン１の吸入空気量を調整するスロットルバルブ１７を駆動するアクチュエータ１６に対し、スロットルバルブ１７の開度信号を指令する。
排気タービン６の回転によって駆動される発電機２で発電された電力は、負荷調整機能のあるインバータ８によって所定の電圧（例えば、２００Ｖ）の直流に変換され、バッテリ９に蓄えられる。バッテリ９に蓄えられた電気エネルギーはコントローラ１０を介してモータ１３に供給され、モータ１３がメインドライブシャフト１２を駆動する。
上記のようにモータ１３が駆動力を発生させることで、駆動輪を回転させるのに必要なトルクが一定であれば、モータ１３のトルク分だけエンジン１が発生させるトルクを小さくすることができるので、その分燃料の消費を抑制することができる。
また、加速時など大きなトルクが必要な場合には、エンジン１の駆動力をモータ１３で補うことができるので、エンジン１の排気量を小さくして、エンジン１を小型化することで摩擦損失を低減しながら、大排気量並みの出力を確保することができる。
また、バッテリ９のＳＯＣ（蓄電状態）が所定量以上である場合には、発電機２で発電された電力を、バッテリ９を介さずに直接モータ１３へと供給するように構成してもよい。これにより、充電・放電効率にかかわらず排気エネルギーから回収したエネルギーを車両の駆動力としてより効率的に利用することができる。
さらに、コントローラは、低速低負荷運転時などのエンジン１の燃費率（熱効率）の悪い運転域において、燃費率を向上させるためエンジン１の負荷を増大させる。
ここで、図４を参照しながらエンジン１の燃費率について説明する。図４は、エンジン１の回転速度又は車速と、軸トルクと、燃費率との関係を示すマップである。図４に示すように、燃費率は、回転速度がエンジン１の最大トルクを発生する回転速度域前後であって、負荷が大きい状態Ａで最高となり、状態Ａから離れるに従って燃費率は悪化する。
図４の点線は平坦な路面を走行するときに必要なトルクを示している。回転速度ｎで走行するのに必要なトルクをＴｂとすると、ｎとＴｂとの交点である点Ｂにおいては状態Ａから大きく離れているため燃費率が悪い。
そこで、コントローラ１０は、アクチュエータ１６に対し、スロットルバルブ１７の開度を大きくする指令を出力するとともに、モータ１３の発電負荷を増大させる。これにより、回転速度をｎに保持したまま走行に必要なトルクをＴｃへと増大させることができ、エンジン１の運転状態が点Ｃの状態となるので燃費率が向上する。
すなわち、車速を一定に保持しながらエンジン１を燃費率のよい高負荷で運転して、走行に必要な仕事以上は電気エネルギーに変換してバッテリ９に貯めておくことができる。モータ１３の発電量を増大させることで発電・充放電ロスが大きくなるが、発電・充放電ロスよりも燃費率の改善による利得が大きければ燃費を改善することができる。さらにこの時、排気タービン６から回収されるエネルギー量が増大するので、システム全体としての効率はさらに向上する。
以上のように、本実施形態におけるハイブリッド車両は、これまで捨てていた排気の動的エネルギーを電気エネルギーに変換して駆動力として使用するものであり、従来のようにエンジン１の駆動力を発電機２によって電気エネルギーに変換するもの、及び駆動輪から回される仕事（運動エネルギー）を電気エネルギーに変換するものとは思想的には全く異なる。
なお、本実施形態におけるハイブリッド車両に、これら従来のハイブリッドシステムのようにモータ１３でエネルギーの回収を行う構成を追加することは可能である。この場合には、モータ１３を力行／回生可能なモータジェネレータとして使用すればよい。すなわち、コースティング時にはモータ１３は発電機２として作動して電力は図１の点線で示されるように流れ、バッテリ９に蓄電される。
以上のように本実施形態では、エンジン１の排気が有するエネルギーを排気タービン６で回収し、回収されたエネルギーを電力に変換してモータ１３を駆動するので、モータ１３の駆動分だけエンジン１の駆動力を低下させることができ、車両全体としての総合熱効率を向上させて燃費を改善することができる。
また、発電機２によって発電された電力を一旦バッテリ９に蓄電しておき、車両の要求駆動力が増大した場合にモータ１３へ供給することができるので、エンジン１から排出されるエネルギーを効率よく回収することができ、総合熱効率を向上させることができる。
さらに、排気タービン６の回転速度が上限回転速度を超えた時、発電機２の発電負荷を増大させるので、ウエストゲートバルブなどを用いることなく排気タービン６の過回転を抑制することができ、システムを簡素化することができる。
さらに、エンジン１の負荷を増大させることでエンジン１の燃費率を向上できるか否かを判定し、向上できると判定された時、モータ１３の発電負荷を増大させることでエンジン１の負荷を増大させるので、エンジン１を燃費率のよい高負荷で運転して、走行に必要な仕事以上は電気エネルギーに変換してバッテリ９に貯めておくことができる。よって、車両の総合熱効率を向上させることができる。
さらに、減速機４によって排気タービン６の回転速度を減速して発電機２へと伝達するので、発電機２を発電効率のよい回転速度で回転させることができる。
さらに、排気タービン６と減速機４との間にはカップリング５を介装するので、排気タービン６の熱が減速機４へと伝達されることを防止できるとともに、回転軸の微小なずれを吸収することができるので、ベアリング３８、４４に過度な荷重が加わることを防止することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例を示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
１ エンジン
２ 発電機
４ 減速機
５ カップリング
６ 排気タービン
８ インバータ（発電負荷増大手段）
９ バッテリ
１０ コントローラ（電力供給手段、エンジン負荷増大手段、燃費率判定手段）
１３ モータ
本発明のある態様によれば、エンジン及びモータを駆動源として走行可能なハイブリッド車両であって、前記エンジンの排気によって回転駆動される排気タービンと、熱伝導率の低い材質でできたカップリングを介して前記排気タービンに接続され、前記排気タービンによって回転駆動されることで発電する発電機と、前記発電機によって発電された電力を蓄電するバッテリと、前記バッテリに蓄電された電力を前記モータへと供給する電力供給手段と、前記排気タービンの回転速度が上限回転速度を超えた時、前記発電機の発電負荷を増大させる発電負荷増大手段と、備えることを特徴とするハイブリッド車両が提供される。


本発明のある態様によれば、エンジン及びモータを駆動源として走行可能なハイブリッド車両であって、前記エンジンの排気によって回転駆動される排気タービンと、前記排気タービンからの伝熱を防止する熱伝導率の低い材質でできたカップリングを介して前記排気タービンに接続され、前記排気タービンによって回転駆動されることで発電する発電機と、前記カップリングと前記発電機との間に設けられる減速機と、前記発電機によって発電された電力を蓄電するバッテリと、前記バッテリに蓄電された電力を前記モータへと供給する電力供給手段と、前記排気タービンの回転速度が上限回転速度を超えた時、前記発電機の発電負荷を増大させる発電負荷増大手段と、備え、前記カップリングは前記排気タービン及び前記減速機の回転軸間のガタを許容するように構成されることを特徴とするハイブリッド車両が提供される。


Claims (7)

  1. エンジン及びモータを駆動源として走行可能なハイブリッド車両であって、
    前記エンジンの排気によって回転駆動される排気タービンと、
    前記排気タービンによって回転駆動されることで発電する発電機と、
    前記発電機によって発電された電力を前記モータへと供給する電力供給手段と、
    を備えることを特徴とするハイブリッド車両。
  2. 前記発電機によって発電された電力を蓄電するバッテリをさらに備え、
    前記電力供給手段は、前記バッテリに蓄電された電力を前記モータへと供給することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車両。
  3. 前記排気タービンの回転速度が上限回転速度を超えた時、前記発電機の発電負荷を増大させる発電負荷増大手段をさらに備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のハイブリッド車両。
  4. 前記エンジンの負荷を増大させることで前記エンジンの燃費率を向上できるか否かを判定する燃費率判定手段と、
    前記エンジンの燃費率を向上できると判定された時、前記モータの発電負荷を増大させることで前記エンジンの負荷を増大させるエンジン負荷増大手段と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のハイブリッド車両。
  5. 前記排気タービンの回転速度を減速して前記発電機へと伝達する減速機をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のハイブリッド車両。
  6. 前記排気タービンと前記減速機との間に介装されるカップリングをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のハイブリッド車両。
  7. 前記モータは、力行及び回生可能なモータジェネレータであることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のハイブリッド車両。
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