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発明の名称 ハイブリッドシステム
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−16641(P2007−16641A)
公開日 平成19年1月25日(2007.1.25)
出願番号 特願2005−197130(P2005−197130)
出願日 平成17年7月6日(2005.7.6)
代理人 【識別番号】100087480
【弁理士】
【氏名又は名称】片山 修平
発明者 木村 憲治
要約 課題
ターボ過給機の過給遅れを抑制することができるとともにエミッションの悪化を抑制することができるハイブリッドシステムを提供する。

解決手段
ハイブリッドシステム100は、過給機(21)を有する内燃機関(20)と、燃料電池(4)と、燃料電池(4)に供給される水素含有ガスおよび燃料電池(4)からのアノードオフガスのいずれか一方または両方を過給機(21)のタービンハウジングに供給する水素供給手段(3,5)と、制御手段(40)と、内燃機関(20)の負荷が増大するか否かを判定する判定手段(31,32,40)とを備え、制御手段(40)は、内燃機関(20)の負荷が増大すると判定手段(31,32,40)により判定された場合に、水素含有ガスおよびアノードオフガスのいずれか一方または両方を過給機(21)のタービンハウジングに供給するように水素供給手段(3,5)を制御する。
特許請求の範囲
【請求項1】
過給機を有する内燃機関と、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給される水素含有ガスおよび前記燃料電池からのアノードオフガスのいずれか一方または両方を前記過給機のタービンハウジングに供給する水素供給手段と、
制御手段と、
前記内燃機関の負荷が増大するか否かを判定する判定手段とを備え、
前記制御手段は、前記内燃機関の負荷が増大すると前記判定手段により判定された場合に、前記水素含有ガスおよび前記アノードオフガスのいずれか一方または両方を前記タービンハウジングに供給するように前記水素供給手段を制御することを特徴とするハイブリッドシステム。
【請求項2】
前記内燃機関における過給遅れが発生しているか否かを検知する過給遅れ検知手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記過給遅れ検知手段の検知結果に基づいて前記水素供給手段を制御する請求項1記載のハイブリッドシステム。
【請求項3】
前記制御手段は、前記内燃機関の負荷が増大すると前記判定手段により判定された場合に前記アノードオフガスを前記タービンハウジングに供給するように前記水素供給手段を制御し、前記内燃機関において過給遅れが発生していると前記過給遅れ検知手段により検知された場合に、前記水素含有ガスを前記タービンハウジングに供給するように前記水素供給手段を制御することを特徴とする請求項2記載のハイブリッドシステム。
【請求項4】
前記制御手段は、前記内燃機関において過給遅れが発生していないと前記過給遅れ検知手段により検知された場合に、前記水素含有ガスおよび前記アノードオフガスの前記タービンハウジングへの供給を停止するように前記水素供給手段を制御することを特徴とする請求項2または3記載のハイブリッドシステム。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、過給機が設けられた内燃機関および燃料電池を備えるハイブリッドシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ターボ過給機を有するエンジンおよび電動機を駆動力源として備えたハイブリッド車両が開発されてきている(例えば、特許文献1参照)。かかるハイブリッド車両では、エンジンの回転軸にモータが取り付けられ、要求出力に対してエンジンからの出力では足りない分がモータからの出力でアシストされるようになっている。また、エンジンには、ターボ過給機が取り付けられ、運転者がアクセルを踏み込んで多大な出力を要求した場合に、このターボ過給機によってエンジンに吸入される空気の圧力を高められ、エンジンからの出力が増大されるようになっている。
【0003】
【特許文献1】特開2003−222018号公報
【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、ターボ過給機を有するエンジンを用いる場合、運転者がアクセルペダルを踏み込んで多大な出力を要求しても、排気エネルギの不足によりターボ過給機はすぐに働くことができない。それにより、ターボが効き始めるまでにある程度の時間的な遅れ、即ち、過給遅れ(ターボラグ)が発生する。また、ターボラグが発生すると、燃料量と空気量とのミスマッチにより不完全燃焼等が発生する。その結果、エミッションが悪化する。
【0005】
本発明は、ターボ過給機の過給遅れを抑制することができるとともにエミッションの悪化を抑制することができるハイブリッドシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係るハイブリッドシステムは、過給機を有する内燃機関と、燃料電池と、燃料電池に供給される水素含有ガスおよび燃料電池からのアノードオフガスのいずれか一方または両方を過給機のタービンハウジングに供給する水素供給手段と、制御手段と、内燃機関の負荷が増大するか否かを判定する判定手段とを備え、制御手段は、内燃機関の負荷が増大すると判定手段により判定された場合に、水素含有ガスおよびアノードオフガスのいずれか一方または両方をタービンハウジングに供給するように水素供給手段を制御することを特徴とするものである。
【0007】
本発明に係るハイブリッドシステムにおいては、水素含有ガスおよびアノードオフガスのいずれか一方または両方が水素供給手段により過給機のタービンハウジングに供給され、内燃機関の負荷が増大するか否かが判定手段により判定され、内燃機関の負荷が増大すると判定手段により判定された場合に、水素含有ガスおよびアノードオフガスのいずれか一方または両方が水素供給手段によりタービンハウジングに供給される。この場合、水素含有ガスおよびアノードオフガス中に含まれる水素がタービンハウジングにおいて燃焼する。それにより、内燃機関の排気エネルギが不足する場合においても、内燃機関に十分な圧縮エアが供給される。したがって、過給機の過給遅れを抑制することができる。その結果、エミッションの悪化を抑制することができる。
【0008】
内燃機関における過給遅れが発生しているか否かを検知する過給遅れ検知手段をさらに備え、制御手段は、過給遅れ検知手段の検知結果に基づいて水素供給手段を制御してもよい。この場合、過給遅れ検知手段の検知結果から、過給遅れが発生しているか否かが検知される。
【0009】
制御手段は、内燃機関の負荷が増大すると判定手段により判定された場合にアノードオフガスをタービンハウジングに供給するように水素供給手段を制御し、内燃機関において過給遅れが発生していると過給遅れ検知手段により検知された場合に、水素含有ガスをタービンハウジングに供給するように水素供給手段を制御してもよい。この場合、燃料電池に供給される水素含有ガス量の低減が抑制されることから、燃料電池における発電反応効率の低下が抑制される。
【0010】
制御手段は、内燃機関において過給遅れが発生していないと過給遅れ検知手段により検知された場合に、水素含有ガスおよびアノードオフガスのタービンハウジングへの供給を停止するように水素供給手段を制御してもよい。この場合、タービンハウジングに水素を供給しなくても過給遅れの発生およびエミッションの悪化が抑制される。それにより、タービンハウジングへの水素の供給を停止させることによって、水素の無駄な消費を抑制することができる。その結果、本発明に係るハイブリッドシステム全体のシステム効率が向上する。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、過給機の過給遅れを抑制することができるとともに、エミッションの悪化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例1】
【0013】
図1は、第1実施例に係るハイブリッドシステム100の全体構成を示す模式図である。図1に示すように、ハイブリッドシステム100は、燃料電池部10、内燃機関20、アクセル30および制御部40を含む。燃料電池部10は、改質器1、熱交換部2、可変切替バルブ3,5、燃料電池4およびエアポンプ6を備える。改質器1は、改質部1aおよび燃焼部1bを備える。燃料電池4は、アノード4aおよびカソード4bを備える。内燃機関20には、過給機21、圧力センサ22および温度センサ23が設けられている。
【0014】
改質部1aには、図示しない燃料タンクから炭化水素系燃料が供給されるとともに、カソード4bから後述するカソードオフガスが供給される。改質部1aは、改質反応により炭化水素系燃料およびカソードオフガスから水素を含む改質ガスを生成し、熱交換部2に供給する。熱交換部2は、供給された改質ガスを加熱し、可変切替バルブ3に供給する。
【0015】
可変切替バルブ3は、三方コック等からなり、制御部40の指示に従って、熱交換部2から供給された改質ガスをアノード4aおよび過給機21のタービンハウジングのいずれか一方または両方に供給する。制御部40は、可変切替バルブ3を制御することにより、アノード4aおよび過給機21のタービンハウジングに供給する改質ガスの量を制御することができる。アノード4aにおいては、改質ガス中の水素が水素イオンに変換される。変換された水素イオンは、カソード4bに移動する。水素イオンに変換されなかった水素はアノードオフガスとして可変切替バルブ5に供給される。
【0016】
エアポンプ6は、制御部40の指示に従って、ハイブリッドシステム100の外部から必要量のエアをカソード4bに供給する。カソード4bにおいては、アノード4aにおいて発生した水素イオンと供給されたエア中の酸素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した水は、燃料電池4において発生する熱によって水蒸気となる。カソード4bにおいて発生した水蒸気及び水素イオンと反応しなかったエアは、改質用のエアおよび水蒸気を含むカソードオフガスとして改質部1aに供給される。
【0017】
可変切替バルブ5は、三方コック等からなり、制御部40の指示に従って、アノード4aから供給されたアノードオフガスを燃焼部1bおよび過給機21のタービンハウジングのいずれか一方または両方に供給する。制御部40は、可変切替バルブ5を制御することにより、燃焼部1bおよび過給機21のタービンハウジングに供給するアノードオフガスの量を制御することができる。燃焼部1bにおいては、アノードオフガスに含まれる水素および一酸化炭素が燃焼し、外部に排出される。この際の燃焼熱は、改質部1aにおける改質反応に利用される。
【0018】
内燃機関20には、図示しない燃料タンクから必要量の炭化水素系燃料が供給されるとともに、過給機21から後述する圧縮エアが供給される。内燃機関20は、供給された圧縮エアにより炭化水素系燃料を燃焼させることによって動力を発生させる。この際に発生する排気ガスは、過給機21のタービンハウジングに供給された後に外部に排出される。
【0019】
過給機21は、タービンハウジングに供給された排気ガスによって、外部から取り込んだエアを圧縮し、その圧縮エアを内燃機関20に供給する。また、過給機21のタービンハウジングには、可変切替バルブ3からアノードオフガスが供給される。この場合、アノードオフガスに含まれる水素の燃焼エネルギにより、外部から取り込んだエアをさらに圧縮させることができる。それにより、内燃機関20の排気エネルギが不足する場合においても、内燃機関20に十分な圧縮エアが供給される。したがって、過給機21の過給遅れを抑制することができる。その結果、エミッションの悪化を抑制することができる。なお、水素は炭化水素系燃料に比較して燃焼性が高いことから、過給機21は、炭化水素系燃料をタービンハウジングに供給する場合に比較してより効率よくエアを圧縮することができる。圧力センサ22は、過給機21から内燃機関20に供給される圧縮エアの圧力を検出し、制御部40にその検出結果を与える。温度センサ23は、内燃機関20からの排気ガスの温度を検出し、その検出結果を制御部40に与える。
【0020】
アクセル30には、アクセル開度センサ31およびアクセル開度速度センサ32が設けられている。アクセル開度センサ31は、アクセル30の開度を検出し、その検出結果を制御部40に与える。アクセル開度速度センサ32は、アクセル30の開度速度を検出し、その検出結果を制御部40に与える。
【0021】
制御部40は、CPU(中央演算処理装置)、ROM(リードオンリメモリ)等からなり、圧力センサ22、温度センサ23、アクセル開度センサ31およびアクセル開度速度センサ32の検出結果を受け取り、可変切替バルブ3,5およびエアポンプ6の動作を制御する。
【0022】
ここで、アクセル開度が大きくかつアクセル開度速度が大きい場合には、要求出力が大きくなっていると判断できる。要求出力が大きくなると、過給機21による過給遅れおよびエミッションの悪化が発生するおそれがある。本実施例においては、制御部40は、アクセル開度センサ31の検出値およびアクセル開度速度センサ32の検出値が所定の値を上回る場合には、改質ガスおよびアノードオフガスのいずれか一方または両方が過給機21のタービンハウジングに導入されるように可変バルブ3,5を制御する。それにより、過給機21の過給遅れを抑制することができる。その結果、エミッションの悪化を抑制することができる。
【0023】
なお、改質ガスよりもアノードオフガスが優先的に過給機21のタービンハウジングに供給されることが好ましい。この場合、燃料電池4に供給される改質ガスの量が低減されないことから、燃料電池4における発電反応効率の低下が防止される。
【0024】
また、使用者によるアクセル操作により要求出力が大きくなった場合において、過給機31から内燃機関20に与えられる圧縮エアの圧力が大きくなれば過給遅れの発生が抑制されていると判断できる。また、内燃機関20からの排出ガスの温度が大きくなれば、過給遅れによる不完全燃焼が解消され、エミッションの悪化が抑制されていると判断できる。
【0025】
本実施例においては、制御部40は、アノードオフガスおよび改質ガスのいずれか一方または両方が過給機21のタービンハウジングに供給されている場合に圧力センサ22の検出値および温度センサ23の検出値が所定の値を上回れば、可変切替バルブ3,5を制御して改質ガスおよびアノードオフガスの過給機21のタービンハウジングへの供給を停止させる。この場合、過給機21のタービンハウジングに水素を供給しなくても過給遅れの発生およびエミッションの悪化が抑制される。それにより、過給機21のタービンハウジングへの水素の供給を停止させることによって、水素の無駄な消費を抑制することができる。その結果、ハイブリッドシステム100全体のシステム効率が向上する。
【0026】
次に、制御部40の動作の一例を説明する。図2は、制御部40の動作の一例を示すフローチャートである。制御部40は、所定の時間周期(例えば、数ミリ秒程度)で以下のフローチャートを実行する。図2に示すように、制御部40は、アクセル開度センサ31からアクセル30の開度tを取得し、アクセル開度速度センサ32からアクセル30の開度速度vを取得する(ステップS1)。
【0027】
次に、制御部40は、開度tがしきい値Aよりも大きくかつ開度速度vがしきい値Bよりも大きいか否かを判定する(ステップS2)。しきい値Aは、例えば、70%程度であり、しきい値Bは、例えば、80°/sec程度である。
【0028】
ステップS2において開度tがしきい値Aよりも大きくかつ開度速度vがしきい値Bよりも大きいと判定された場合、制御部40は、可変切替バルブ3,5を制御して所定量の水素を過給機21のタービンハウジングに供給する(ステップS3)。なお、改質ガス中の水素量およびアノードオフガス中の水素量は、燃料電池4に要求される出力および燃料電池4に供給される炭化水素系燃料量に基づいて計算することができる。したがって、制御部40は、可変切替バルブ3,5を制御することにより、所定量の水素を過給機21のタービンハウジングに供給することができる。
【0029】
次に、制御部40は、過給機21から内燃機関20に供給される圧縮エアの圧力Pを圧力センサ22から取得し、内燃機関20の排気ガスの温度Tを温度センサ23から取得する(ステップS4)。
【0030】
次いで、制御部40は、温度Tがしきい値Cよりも大きくかつ圧力Pがしきい値Dよりも大きいか否かを判定する(ステップS5)。しきい値Cは、例えば、800℃程度であり、しきい値Dは、例えば、700mmHg程度である。
【0031】
ステップS5において温度Tがしきい値Cよりも大きくかつ圧力Pがしきい値Dよりも大きいと判定された場合、制御部40は、アクセル開度センサ31からアクセル30の開度tを取得し、アクセル開度速度センサ32からアクセル30の開度速度vを取得する(ステップS6)。次に、制御部40は、開度tがしきい値Aよりも小さくかつ開度速度vがしきい値Bよりも小さいか否かを判定する(ステップS7)。ステップS7において開度tがしきい値Aよりも小さくかつ開度速度vがしきい値Bよりも小さいと判定された場合、制御部40は、過給機21のタービンハウジングへの水素の供給を停止するように可変切替バルブ3,5を制御する(ステップS8)。その後、制御部40は、動作を終了する。
【0032】
なお、ステップS2において開度tがしきい値Aよりも大きくかつ開度速度vがしきい値Bよりも大きいと判定されなかった場合、制御部40は、動作を終了する。また、ステップS5において温度Tがしきい値Cよりも大きくかつ圧力Pがしきい値Dよりも大きいと判定されなかった場合およびステップS7において開度tがしきい値Aよりも小さくかつ開度速度vがしきい値Bよりも小さいと判定されなかった場合、制御部40は、ステップS3の動作から繰り返す。
【0033】
以上のように、過給機21による過給遅れが発生するおそれが生じても、改質ガスおよびアノードオフガス中に含まれる水素が過給機21のタービンハウジングにおいて燃焼することにより、内燃機関20の排気エネルギを増大させることができる。それにより、過給機21の過給遅れを抑制することができる。また、水素の燃焼エネルギにより、エミッションの悪化を抑制することができる。
【0034】
また、過給機21による過給遅れが発生するおそれが消滅した場合には、改質ガスおよびアノードオフガスの過給機21のタービンハウジングへの供給が停止される。それにより、水素の無駄な消費を抑制することができる。その結果、ハイブリッドシステム100全体のシステム効率が向上する。
【0035】
続いて、制御部40の動作の他の例を説明する。図3は、制御部40の動作の他の例を示すフローチャートである。制御部40は、所定の時間周期(例えば、数ミリ秒程度)で以下のフローチャートを実行する。図3に示すように、制御部40は、アクセル開度センサ31からアクセル30の開度tを取得し、アクセル開度速度センサ32からアクセル30の開度速度vを取得する(ステップS11)。
【0036】
次に、制御部40は、開度tがしきい値Aよりも大きくかつ開度速度vがしきい値Bよりも大きいか否かを判定する(ステップS12)。しきい値Aは、例えば、70%程度であり、しきい値Bは、例えば、80°/sec程度である。
【0037】
ステップS12において開度tがしきい値Aよりも大きくかつ開度速度vがしきい値Bよりも大きいと判定された場合、制御部40は、可変切替バルブ5を制御して所定量の水素を過給機21のタービンハウジングに供給する(ステップS13)。なお、アノードオフガス中の水素量は、燃料電池4に要求される出力および燃料電池4に供給される炭化水素系燃料量に基づいて計算することができる。したがって、制御部40は、可変切替バルブ5を制御することにより、所定量の水素を過給機21のタービンハウジングに供給することができる。
【0038】
次に、制御部40は、過給機21から内燃機関20に供給される圧縮エアの圧力Pを圧力センサ22から取得し、内燃機関20の排気ガスの温度Tを温度センサ23から取得する(ステップS14)。
【0039】
次いで、制御部40は、温度Tがしきい値Cよりも大きくかつ圧力Pがしきい値Dよりも大きいか否かを判定する(ステップS15)。しきい値Cは、例えば、800℃程度であり、しきい値Dは、例えば、700mmHg程度である。
【0040】
ステップS15において温度Tがしきい値Cよりも大きくかつ圧力Pがしきい値Dよりも大きいと判定された場合、制御部40は、アクセル開度センサ31からアクセル30の開度tを取得し、アクセル開度速度センサ32からアクセル30の開度速度vを取得する(ステップS16)。
【0041】
次に、制御部40は、開度tがしきい値Aよりも小さくかつ開度速度vがしきい値Bよりも小さいか否かを判定する(ステップS17)。ステップS17において開度tがしきい値Aよりも小さくかつ開度速度vがしきい値Bよりも小さいと判定された場合、制御部40は、過給機21のタービンハウジングへの水素の供給を停止するように可変切替バルブ3,5を制御する(ステップS18)。その後、制御部40は、動作を終了する。
【0042】
ステップS15において温度Tがしきい値Cよりも大きくかつ圧力Pがしきい値Dよりも大きいと判定されなかった場合、制御部40は、可変切替バルブ3を制御して所定量の水素を過給機21のタービンハウジングに供給する(ステップS19)。次に、制御部40は、ステップS13の動作を行う。なお、改質ガス中の水素量は、燃料電池4に要求される出力および燃料電池4に供給される炭化水素系燃料量に基づいて計算することができる。したがって、制御部40は、可変切替バルブ3を制御することにより、所定量の水素を過給機21のタービンハウジングに供給することができる。
【0043】
ステップS12において開度tがしきい値Aよりも大きくかつ開度速度vがしきい値Bよりも大きいと判定されなかった場合、制御部40は、動作を終了する。また、ステップS17において開度tがしきい値Aよりも小さくかつ開度速度vがしきい値Bよりも小さいと判定されなかった場合、制御部40は、ステップS13の動作から繰り返す。
【0044】
以上のように、過給機21による過給遅れが発生するおそれが生じても、改質ガスおよびアノードオフガス中に含まれる水素を過給機21のタービンハウジングにおいて燃焼させることにより、内燃機関20の排気エネルギを増大させることができる。それにより、過給機21の過給遅れを抑制することができる。また、水素の燃焼エネルギにより、エミッションの悪化を抑制することができる。
【0045】
また、改質ガスよりもアノードオフガスを優先的に過給機21のタービンハウジングに供給することから、燃料電池4に供給される改質ガスの量が低減されない。それにより、燃料電池4における発電反応効率の低下が防止される。
【0046】
さらに、過給機21による過給遅れが発生するおそれが消滅した場合には、改質ガスおよびアノードオフガスの過給機21のタービンハウジングへの供給が停止される。それにより、水素の無駄な消費を抑制することができる。その結果、ハイブリッドシステム100全体のシステム効率が向上する。
【0047】
本実施例においては、可変切替バルブ3,5が水素供給手段に相当し、制御部40が制御手段に相当し、アクセル開度センサ31、アクセル開度速度センサ32および制御部40が判定手段に相当し、圧力センサ22および温度センサ23が過給遅れ検知手段に相当する。
【図面の簡単な説明】
【0048】
【図1】第1実施例に係るハイブリッドシステムの全体構成を示す模式図である。
【図2】制御部の動作の一例を示すフローチャートである。
【図3】制御部の動作の他の例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【0049】
1 改質器
1a 改質部
1b 燃焼部
3,5 可変切替バルブ
4 燃料電池
10 燃料電池部
20 内燃機関
21 過給機
22 圧力センサ
23 温度センサ
30 アクセル
31 アクセル開度センサ
32 アクセル開度速度センサ
40 制御部
100 ハイブリッドシステム




 

 


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