JPH11311136A

JPH11311136A - ハイブリッド自動車およびその駆動装置

Info

Publication number: JPH11311136A
Application number: JP10118174A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Sukegawa; 義寛助川; Minoru Osuga; 大須賀　　稔; Toshiji Nogi; 利治野木; Takuya Shiraishi; 拓也白石
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 1999-11-09

Abstract

(57)【要約】【課題】排気エミッションが少なく、かつ、熱効率の高
いハイブリッド自動車、およびその駆動装置を提供す
る。【解決手段】ガソリンを水素ガスに改質する燃料改質器
１０と、燃料電池１１，電動機２，水素ガス及び炭化水
素を燃料とする火花点火機関１を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は火花点火機関と電動
機によって車輪を駆動するハイブリッド自動車、および
その駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８に公知のハイブリッド自動車用駆動
装置を示す。本駆動装置は一般にパラレルハイブリッド
と呼ばれる方式である。図８において１はガソリンを燃
料とする火花点火機関、２は電動機、３は蓄電池、４は
発電機、５はクラッチ、６は動力伝達装置、７は差動ギ
ア、８は車輪、９は電力調整器である。同図において、
火花点火機関の要求負荷が比較的小さい場合には、クラ
ッチ５を切り離し、電力調整器９によって蓄電池３より
電動機２に電力を供給し、電動機２によって車輪８が駆
動される。一方、中負荷の場合には、電力調整器９によ
って蓄電池３から電動機２への電力供給が停止され、ク
ラッチ５をつないで火花点火機関１によって車輪８を駆
動する。同時に、発電機４によって発生した電力が蓄電
池３に蓄えられる。さらに負荷が高い場合は、前記の火
花点火機関１の駆動力に、蓄電池３によって駆動された
電動機４の駆動力が加わる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
ハイブリッド自動車においては、たとえ電動機によって
車輪を駆動する場合においても、その電力は、元々、ガ
ソリンを燃料とする火花点火機関によって発電機を回し
蓄電池に蓄わえられたものを使用しており、負荷の大小
に関わらず常に排気エミッションが排出されることとな
る。

【０００４】また火花点火機関全体の熱効率は、火花点
火機関の効率に大きく依存するため、火花点火機関を効
率良く運転する必要がある。しかし、一般的に火花点火
機関は吸気ポート上流部に設けたスロットル弁により出
力調整をするため、ポンピング損失による効率低下が大
きく、火花点火機関全体の熱効率を上げるのが困難とな
っている。

【０００５】本発明は、排気エミッションが少なく、か
つ、熱効率の高いハイブリッド自動車、およびその駆動
装置を提供することを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題は、火花点火機
関と、駆動輪と、前記火花点火機関または駆動輪の回転
エネルギーによって発電される発電機と、前記発電機で
発電された電力を貯える蓄電池と、前記蓄電池および前
記発電機の少なくとも一方より電力が供給される電動機
とを備え、前記火花点火機関および前記電動機の出力に
より駆動されるハイブリッド自動車において、炭化水素
燃料を水素ガスに改質する燃料改質器を備え、前記火花
点火機関は、炭化水素燃料と水素ガスの少なくとも一方
で運転されることによって解決される。

【０００７】また上記課題は、炭化水素燃料を水素ガス
に改質する燃料改質器と、該水素ガスから電力を生成す
る燃料電池と、該燃料電池の電力により駆動される車軸
駆動用電動機と、炭化水素と水素ガスを燃料とする火花
点火機関と、該火花点火機関によって駆動される発電機
と、該発電機の電力を蓄える蓄電池と、蓄電池及び燃料
電池から電動機に供給する電力量を制御する手段と、炭
化水素燃料の燃料改質器と火花点火機関への供給比率を
制御する手段と、燃料改質器で生成した水素ガスの燃料
電池と火花点火機関への供給比率を制御する手段と、車
軸駆動用電動機と火花点火機関の駆動力を合成して、車
軸に伝える動力伝達手段を備えたハイブリッド自動車用
駆動装置により解決される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下図面により、本発明の実施形
態を説明する。

【０００９】図１は、本発明による自動車用ハイブリッ
ド火花点火機関の構成図である。本図において１はガソ
リン，水素ガスを燃料とする火花点火機関である。

【００１０】本火花点火機関は、図２に示すように、燃
焼室４０の上部に点火プラグ４３と吸気ポート４５，排
気ポート４６が設けられている。水素ガスは水素供給弁
４２によって吸気ポート４５内に供給され、またインジ
ェクタ４１によって、微粒化されたガソリンがシリンダ
４０内に供給される。ピストン４４にはキャビティ４４
ａが設けられている。

【００１１】また、本火花点火機関においてはスロット
ル弁はなく、供給する水素，ガソリンの量によって機関
の出力を調整する。スロットル弁をなくすことで、ポン
ピング損失がなくなり、高い熱効率を得ることができ
る。

【００１２】着火性の良い水素ガスを燃料とする場合に
は、吸気ポート４５内で空気と水素ガスを混合すること
で、シリンダ４０内に均質な水素−空気混合気を作り燃
焼させる。

【００１３】一方、着火性の低いガソリン燃料の場合に
は、シリンダ４０に直接に燃料を噴射し、キャビティ４
４ａによって燃料の拡散を抑制することで、点火プラグ
４３の周りにリッチ混合気を作り、理論混合比より希薄
な混合気を安定に燃焼させるようになっている。

【００１４】図１において、１０はガソリンを水素ガス
に改質する燃料改質器であり、１１は水素ガスから電力
を生成する燃料電池である。２は電動機、１２は火花点
火機関１の排気ガスによってタービンを回し電力を生成
するターボ発電機であり、発電した電力は蓄電池３に蓄
えられる。６は電動機２の軸出力と火花点火機関１の軸
出力を合成する動力伝達装置で、その出力は差動ギア７
を介して車輪８に伝えられる。

【００１５】１３はガソリンの燃料改質器１０と火花点
火機関１への供給比率を変えるガソリン分配器で、１４
は燃料改質器１０で生成した水素ガスの燃料電池１１と
火花点火機関１への供給比率を変える水素分配器であ
る。これら分配器１３，１４の分配比率は制御装置１５
からの制御信号８２，８３により、任意に変えることが
できる。

【００１６】９は燃料電池１１で生成した電力と蓄電池
３から供給される電力を調整する電力調整器である。

【００１７】図３は、動力伝達装置６の動作モードを示
した図である。

【００１８】（ａ）は火花点火機関１の始動時に使うモ
ードであり、電動機２の回転力は火花点火機関１に伝わ
り火花点火機関１をクランキングする。この時、差動ギ
ア７に動力は伝達されない。

【００１９】（ｂ）は電動機２の駆動力のみが差動ギア
７に伝わるモードであり、火花点火機関１が回転してい
てもその駆動力は差動ギア７には伝わらない。

【００２０】（ｃ）は火花点火機関１と電動機２を合わ
せた両方の駆動力が差動ギア７に伝わるモード、（ｄ）
は火花点火機関１の駆動力のみが差動ギア７に伝わるモ
ードである。これらのモードは図１の制御装置１５から
の制御信号８５によって切り替えられる。

【００２１】以下、図４に示すように火花点火機関の停
止状態からトルクを時間とともに増加させ、自動車を加
速する場合を例に図１の実施形態の動作について説明す
る。図１の実施形態において、火花点火機関１の始動時
は、制御信号８２によってガソリンが全量，火花点火機
関１に供給されるようガソリン分配器１３が制御され、
制御信号８４によって蓄電池３の電力を電動機２に供給
するよう電力調整器９が制御される。

【００２２】また、動力伝達装置６は図３の（ａ）のモ
ード、すなわち電動機２の駆動力が火花点火機関１に伝
達されるように制御信号８５によって制御される。

【００２３】蓄電池３の電力が電動機２に供給されるこ
とによって電動機２が回転し、動力伝達装置６によって
その回転力が火花点火機関１に伝えられる。この回転力
によって火花点火機関１がクランキングされ始動する。

【００２４】火花点火機関への要求トルクが図４に示す
電動機最大トルクＴ１、すなわち電動機最大トルクＴ２
と火花点火機関１を水素ガスで駆動したときの希薄限界
空燃比での発生トルクΔＴとの差より低い場合には、制
御信号８２によってガソリン分配器１３を燃料改質器１
０に全てのガソリンが供給されるよう制御する。

【００２５】また、制御信号８３によって燃料改質器１
０によって生成した水素ガスの一部を火花点火機関１に
供給し、残りの水素ガスを燃料電池１１に供給するよう
水素分配器１４を制御する。このときの火花点火機関１
への水素ガス供給量は、火花点火機関１の水素−空気混
合気の希薄燃焼限界よりわずかに水素リッチとなるよう
に設定される。

【００２６】次に制御信号８４によって、電力調整器９
は燃料電池１１の電力を電動機２に供給するように制御
される。また制御信号８５によって、動力伝達装置６は
図３の（ｂ）のモード、すなわち電動機２の駆動力のみ
を車輪８に伝達するモードに設定される。

【００２７】これにより、ガソリンは燃料改質器１０に
よって水素ガスに改質され、この水素ガスによって燃料
電池１１で電力が発生し、この電力により電動機２が回
転する。電動機２の回転力が動力伝達装置６によって差
動ギア７を介して車輪８に伝わり駆動力を得る。車輪８
の駆動力の調整は、制御信号８１により燃料ポンプ１６
の出力を調整し、燃料改質器１０に供給するガソリン流
量を増減することによって行われる。

【００２８】なお、本運転モードにおいて、電力量検出
器３０で検出した蓄電池３の蓄電量が、予め定めたしき
い値より多い場合には、燃料電池１１への水素供給をし
ないように水素分配器１４を制御し、かつ、蓄電池３の
電力を電動機２に供給するように電力調整器９を制御す
ることによって、蓄電池３の電力を用いて電動機２を回
し、車輪８を駆動することもできる。

【００２９】火花点火機関のトルクが図４に示すＴ１、
すなわち電動機最大トルクＴ２と火花点火機関１を水素
ガスで駆動したときの希薄限界空燃比での発生トルクΔ
Ｔとの差を超えると、電力調整器９によって、電動機２
には、燃料電池１１からの電力に加え、蓄電池３からの
電力も供給される。以後、燃料改質器１０へのガソリン
供給量は一定とし、トルク増加分は蓄電池３からの供給
電力量を増やすことによって賄われるよう、電力調整器
９と燃料ポンプ１６が制御される。

【００３０】さらに負荷が増え、トルクが図４に示す電
動機最大トルクＴ２を超えると、動力伝達装置６は制御
信号８５によって図３の（ｃ）のモード、すなわち電動
機２と火花点火機関１の双方の駆動力を車輪８に伝達す
るモードに切り替えられると同時に、電力調整器９によ
って蓄電池３から電動機２への電力供給を停止する。こ
れにより、電動機２の発生トルクはＴ１に減少し、電動
機２と火花点火機関１を合わせたトルクが、電動機最大
トルクＴ２と等しくなり、火花点火機関１を駆動力に付
加したことによるトルク段差がなくなる。

【００３１】この後は、制御信号８１によって燃料ポン
プ１６を制御して燃料改質器１０へのガソリン供給量を
増やすとともに、水素分配器１４を燃料電池１１への水
素ガス供給量が一定になるよう制御することによってト
ルクを増加させる。

【００３２】水素ガス駆動の火花点火機関１と電動機２
による総合熱効率とトルクの関係を図５に示す。

【００３３】一般に火花点火機関の熱効率は、燃料電池
と電動機を組み合わせた場合に比べ低い。

【００３４】本発明においては、トルク増大に伴い、電
動機の負荷分担率が下がり、火花点火機関の負荷分担率
が増えるため、熱効率は低下する。そこで本発明では、
火花点火機関の総合効率が火花点火機関単体の熱効率η
４と等しくなるトルクＴ３より火花点火機関の負荷が高
くなると、ガソリンを全量、火花点火機関１に供給する
よう、ガソリン分配器１３を制御すると共に、動力伝達
装置を図３の（ｄ）のモード、すなわち火花点火機関１
の駆動力のみを車輪８に伝達するモードに切り替える。

【００３５】このときのガソリン供給量は、火花点火機
関１の発生トルクが図５で示したＴ３となるように燃料
ポンプ１６により制御する。

【００３６】この結果、車輪８は火花点火機関１のみに
よって駆動されることになる。これ以降のトルク増加分
は、燃料ポンプ１６で火花点火機関１に供給するガソリ
ン量を制御することにより賄う。

【００３７】なお、上記の実施形態においては、火花点
火機関の要求トルクがＴ１からＴ３の範囲にある場合に
は、火花点火機関１は水素ガスのみを燃料として使用し
ているが、水素ガスとガソリンとの混合燃料を使うこと
もできる。

【００３８】すなわち、燃料改質器１０と火花点火機関
１の双方にガソリンを供給するようガソリン分配器１３
を制御するとともに、燃料電池１１と火花点火機関１の
双方に水素ガスを供給するように水素分配器１４を制御
する。要求トルクが高くなるに従い、ガソリン分配器１
３によって火花点火機関１に供給されるガソリンの割合
を高くしていき、トルクＴ３でガソリンの割合を１００
％にする。

【００３９】このように、ガソリン比率を連続的に変え
ることによって、火花点火機関１の燃料が水素ガスから
ガソリンに切り替わったときのトルク段差による運転性
の悪化を防止できる。

【００４０】また、着火性の高い水素ガスをガソリンに
混ぜることによって、希薄燃焼時の着火性を改善でき、
希薄運転限界の空燃比を上げることができるという利点
もある。

【００４１】この場合には、図６に示すように、点火時
期において点火プラグの近傍に水素−空気混合気、その
外側にガソリン−空気混合気が存在するように混合気の
分布を制御すると、より着火性を向上できる。

【００４２】このような混合気を作る方法としては、以
下の方法が考えられる。

【００４３】吸気ポート４５内の水素ガス供給器４２か
ら吸気バルブ４５０近傍にかけて、図７に示すような仕
切り板５０を設ける。このような構造においては、吸気
行程で吸気ポート４５内に供給された水素ガスは空気と
混合しながら、吸気ポート４５の仕切り板５０の上部の
流路４５ａを通って、シリンダ４０内に供給される。一
方、仕切り板５０の下側の流路４５ｂを通ってシリンダ
４０内に空気が供給され、この空気に向けてインジェク
タ４１から微粒化したガソリンが噴射される。これによ
り、点火プラグ４３が設置されているシリンダ４０の上
部には水素−空気混合気を、シリンダ４０の下部にはガ
ソリン−空気混合気を生成することができる。

【００４４】表１に各構成機器の代表的な熱効率を示
す。

【００４５】

【表１】

【００４６】表１の熱効率で、火花点火機関全体の熱効
率を評価すると、以下のようになる。

【００４７】（１）低負荷域で、電動機のみで駆動する
場合総合熱効率 η＝η１・η２・η３＝０.７×０.９×
０.９＝０.５６７（２）高負荷域で、火花点火機関のみで駆動する場合総合熱効率 η＝η４＝０.３（３）中負荷域で、電動機と火花点火機関で駆動する場
合総合効率０.３＜η＜０.５６７（効率は負荷
により変動）従来の火花点火機関のみで駆動した場合、熱効率は２５
〜３０％程度であることから、大幅に熱効率を向上でき
ることがわかる。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、ハイブリッド自動車に
おいて、炭化水素燃料を水素ガスに改質する燃料改質器
を備え、火花点火機関が炭化水素燃料と水素ガスの少な
くとも一方で運転されることにより、低負荷領域の効率
を向上することができ、さらには、低中負荷域におい
て、窒素酸化物，未燃炭化水素，一酸化炭素，硫黄酸化
物が排出されず、極めて排気エミッションの少ないハイ
ブリッド自動車を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態をなすハイブリッド自動車
の全体構成図を示す。

【図２】図１の火花点火機関の構成図を示す。

【図３】図１の動力伝達装置の動作モードを示す。

【図４】図１の動作例を説明するためのトルク変化を示
す図。

【図５】図１の実施形態のトルクと熱効率の関係を表す
図である。

【図６】着火性を高めるための火花点火機関のシリンダ
内の混合気分布を示す。

【図７】本発明の一実施形態における火花点火機関の構
成図を示す。

【図８】従来のハイブリッド火花点火機関の構成図を示
す。

【符号の説明】

１…火花点火機関、２…電動機、３…蓄電池、６…動力
伝達装置、８…車輪、９…電力調整器、１０…燃料改質
器、１２…ターボ発電機、１３…ガソリン分配器、１４
…水素分配器、１５…制御装置、３０…電力量検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者白石拓也茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】火花点火機関と、駆動輪と、前記火花点火
機関または駆動輪の回転エネルギーによって発電される
発電機と、前記発電機で発電された電力を貯える蓄電池
と、前記蓄電池および前記発電機の少なくとも一方より
電力が供給される電動機とを備え、前記火花点火機関お
よび前記電動機の出力により駆動されるハイブリッド自
動車において、炭化水素燃料を水素ガスに改質する燃料改質器を備え、
前記火花点火機関は、炭化水素燃料と水素ガスの少なく
とも一方で運転されることを特徴とするハイブリッド自
動車。
【請求項２】請求項１記載において、前記燃料改質機で生成された水素ガスを電力に変換する
燃料電池を備え、前記電動機は、前記蓄電池，前記発電
機、および前記燃料電池の少なくとも一方から電力が供
給されることを特徴とするハイブリッド自動車。
【請求項３】請求項２において、前記火花点火機関は、前記駆動輪に要求される駆動トル
クに応じて、供給される炭化水素燃料と水素ガスの割合
が変化されることを特徴とするハイブリッド自動車。
【請求項４】請求項２において、前記電動機は、前記駆動輪に要求される駆動トルクに応
じて、前記蓄電池，前記発電機、および前記燃料電池の
電力供給割合が変化されることを特徴とするハイブリッ
ド自動車。
【請求項５】炭化水素燃料を水素ガスに改質する燃料改
質器と、該水素ガスから電力を生成する燃料電池と、該
燃料電池の電力により駆動される車軸駆動用電動機と、
炭化水素と水素ガスを燃料とする火花点火機関と、該火
花点火機関によって駆動される発電機と、該発電機の電
力を蓄える蓄電池と、該蓄電池と、蓄電池及び燃料電池
から車軸駆動用電動機に供給する電力量を制御する手段
と、炭化水素燃料の燃料改質器と火花点火機関への供給
比率を制御する手段と、燃料改質器で生成した水素ガス
の燃料電池と火花点火機関への供給比率を制御する手段
と、車軸駆動用電動機と火花点火機関の駆動力を合成し
て、車軸に伝える動力伝達手段を備えたハイブリッド自
動車用駆動装置。
【請求項６】請求項５記載において、火花点火機関の負
荷の大きさに応じて、燃料改質器と火花点火機関へ供給
する炭化水素燃料の比率を制御することを特徴とするハ
イブリッド自動車用駆動装置。
【請求項７】請求項６記載において、低負荷では火花点
火機関への炭化水素供給率を低く、高負荷では火花点火
機関への炭化水素供給率を高くすることを特徴とするハ
イブリッド自動車用駆動装置。
【請求項８】請求項５記載において、火花点火機関の負
荷の大きさに応じて、燃料改質器と火花点火機関へ供給
する炭化水素燃料の比率と、燃料電池と火花点火機関へ
供給する水素ガスの比率を制御することを特徴とするハ
イブリッド自動車用駆動装置。
【請求項９】請求項８記載において、低負荷では燃料改
質器への炭化水素供給率と、燃料電池への水素ガス供給
率を高くし、中負荷では燃料改質器への炭化水素供給率
と火花点火機関への水素ガス供給率を高くし、高負荷で
は火花点火機関への炭化水素供給率を高くすることを特
徴とするハイブリッド自動車用駆動装置。
【請求項１０】請求項５記載において、蓄電池に貯えた
電力残量を検出する手段を設け、低負荷時に蓄電池の電
力残量が予め定めたしきい値より多い場合には、蓄電池
の電力を車軸駆動用電動機に供給することで車軸を駆動
し、蓄電池の電力量がしきい値より少ない場合には、炭
化水素燃料、または、水素ガスを火花点火機関に供給す
ることで車軸を駆動することを特徴とするハイブリッド
自動車用駆動装置。
【請求項１１】請求項５記載の発電機が、火花点火機関
の排気熱を回収して電力を生成するターボ発電機である
ことを特徴とするハイブリッド自動車用駆動装置。
【請求項１２】請求項５記載の火花点火機関が、吸気流
路内に水素ガスを供給し、燃焼室内に炭化水素燃料を微
粒化して噴射する火花点火機関であることを特徴とする
ハイブリッド自動車用駆動装置。
【請求項１３】請求項１２記載の火花点火機関が、点火
時期において点火プラグの電極周を取り囲むように水素
と空気の混合気が分布し、水素空気混合気の外側に炭化
水素と空気混合気が分布するように、混合気分布を制御
する手段を設けたことを特徴とするハイブリッド自動車
用駆動装置。
【請求項１４】請求項１３記載の混合気分布制御手段
が、吸気ポート内の水素ガス供給手段近傍から燃焼室入
口近傍にかけて、ポート断面を２つの空気流路に分ける
仕切り板を設けた構造であることを特徴とするハイブリ
ッド自動車用駆動装置。