JP2003314291A - 排気駆動エンジン冷却システム - Google Patents

排気駆動エンジン冷却システム

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JP2003314291A
JP2003314291A JP2003103776A JP2003103776A JP2003314291A JP 2003314291 A JP2003314291 A JP 2003314291A JP 2003103776 A JP2003103776 A JP 2003103776A JP 2003103776 A JP2003103776 A JP 2003103776A JP 2003314291 A JP2003314291 A JP 2003314291A
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カール・トーマス・ビュック
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    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy
    • F01N5/04—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy the devices using kinetic energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B63/00—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices
    • F02B63/04—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices for electric generators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Abstract

(57)【要約】 【課題】 利用しなければ廃棄されることになる内燃機
関の排気エネルギーを利用するためのシステムを提供す
る。 【解決手段】 内燃機関用のエネルギー回収システムは
ターボチャージャユニット１４を含み、ターボチャージ
ャユニットはエンジンからの排気を受け入れるターボチ
ャージャタービンと排気ガスによって駆動される第２タ
ービンとを有する。第２タービンは発電機を駆動する。
この発電機は電力を電気制御ユニットに供給し、電気制
御ユニットは電力を電動ファンのモータに供給し、電動
ファンのモータはエンジン冷却ファン２８を駆動する。
制御ユニットはまた電力を電動冷却液ポンプのモータに
も供給し、このモータは電動冷却液ポンプを駆動する。
第２タービンは、その動力の吸収が発電機の電気負荷に
合うように制御される形状寸法を有する可変容量タービ
ン１８であることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関からの排
気エネルギーを回収して利用するためのエネルギー回収
システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】エンジン冷却システムは大量の動力を消
費する。固定羽根ファンは、例えば、コスト上の理由か
ら、最も高い冷却負荷条件のためにサイズ決めされてい
る。この結果、低負荷運転中ではエンジン出力の数キロ
ワット（ｋＷ）が浪費されている。定格条件では、エン
ジン出力の５パーセントが冷却ファンを駆動するために
使用され、１〜２ｋＷが水ポンプを駆動するために使用
されるのが一般的である。
【０００３】現代のターボチャージャは、エンジンから
排出されるエネルギーを利用することによって給気ブー
ストプレッシャを提供する。タービンは通常、必要な給
気プレッシャを提供するためだけにサイズ決めされてい
るので、かなりの未使用エネルギーが排気ガスから利用
可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、利用しなければ廃棄されることになる内燃機関の
排気エネルギーを利用するためのシステムを提供するこ
とである。
【０００５】本発明の別の目的は、冷却システム構成部
分を動かすためにエンジンの排気エネルギー使用するこ
とである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】これらの目的およびその
他の目的は、内燃機関用のエネルギー回収システムがタ
ーボチャージャユニットを含み、ターボチャージャユニ
ットはエンジンからの排気を受け入れるターボチャージ
ャタービンと排気ガスによって駆動される第２タービン
とを有する、本発明によって達成される。第２タービン
は発電機を駆動する。この発電機は電力を電気制御ユニ
ットに供給し、電気制御ユニットは電力を電動ファンの
モータに供給し、電動ファンのモータはエンジン冷却フ
ァンを駆動する。制御ユニットはまた電力を電動冷却液
ポンプのモータにも供給し、このモータは電動冷却液ポ
ンプを駆動する。タービンは、その動力の吸収が発電機
の電気負荷に合うように制御される形状寸法を有する可
変容量タービンであることが好ましい。このシステムは
また、タービンの過速をもたらすタービンバイパス弁ま
たは排気ゲートを含むこともできる。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、エンジン１０
は、従来型のフライホィール電動発電機１１と排気マニ
ホルド１２とを含んでいる。ターボチャージャユニット
１４は排気駆動第１段排気タービン１５を有し、この第
１段タービンは排気マニホルド１２からの排気を受け入
れ、吸気コンプレッサ１６を駆動する。タービン発電ユ
ニット１７は可変容量第２段タービン１８を含み、この
タービンは第１段タービン１５の下流にあり、第１段タ
ービン１５からの排気ガスを受け入れる。タービン発電
ユニット１７はまた、タービン１８によって駆動される
発電機２０も含む。タービン１８は、タービン１８の寸
法形状を制御する電気サーボモータアクチュエータ１９
を含む。
【０００８】タービン１８は、タービンが高いエンジン
速度で過度に速く回転することを防ぐ従来型の排気ゲー
ト（図示せず）を含むことが好ましい。排気ゲートは弁
（図示せず）を含み、この弁は、排気がタービンブレー
ド（図１に図示せず）を迂回できるようにし、かつ排気
ゲートアクチュエータ２１によって制御される。
【０００９】発電機２０は、３００ボルトなど高い電圧
の三相電力であることが好ましい電力を二重電圧制御ユ
ニット２２に供給する。制御ユニット２２は、電力を４
２ボルトバッテリ２４またはウルトラキャパシタ２５な
どの貯蔵装置に供給する。制御ユニット２２は制御信号
をアクチュエータ１９に供給し、アクチュエータ１９
は、排気ガスからタービン１８によって吸収された動力
が発電機２０の電気負荷に合うようにタービン１８の形
状寸法を制御する。
【００１０】電動発電機１１は電力を電気制御ユニット
２２に供給し、また電気制御ユニット２２から電力を受
け取る。制御ユニット２２はまた電力を電動ファンモー
タ２６に供給し、電動ファンモータ２６はエンジン冷却
ファン２８を駆動し、エンジン冷却ファン２８は従来型
のラジエータ３０を通して空気を吹き付ける。ファンモ
ータ２６は、４２ボルトまたは３００ボルトなど、低電
圧モータとすることも高電圧モータとすることもでき
る。制御ユニット２２も制御信号を排気ゲートアクチュ
エータ２１に供給する。
【００１１】制御ユニット２２はまた、４２ボルトの電
力をエンジン制御ユニット５０に供給する。制御ユニッ
ト２２と５０との間で情報がケーブル５１を通じて通信
される。信号も、制御ユニット２２とフライホィール電
動発電機１１との間でケーブル５３によって交換され
る。
【００１２】電動冷却液ポンプ３２は、冷却液導管３
６、３８を介してラジエータ３０とエンジン１０とを通
じて冷却液を循環させる。ポンプ３２の一体型モータ
（図示せず）は４２ボルトモータなどの低電圧モータで
あることが好ましい。制御ユニット５０は、制御された
４２ボルト電圧を冷却液ポンプ３２に供給し、冷却液ポ
ンプ３２をこの速度がエンジンへの燃料流量の関数であ
るように制御することが好ましい。制御ユニット５０
は、ファンモータ２６が冷却液温度の関数として制御さ
れるように、制御信号をファンモータ２６に供給する。
制御ユニット５０は、冷却液温度センサ５２から冷却液
温度信号を、またオイル圧力センサ５４からオイル圧力
信号を受信する。制御ユニット５０はまた、制御された
４２ボルトの電力を電動オイルポンプ５６に供給するこ
とができる。制御ユニット５０はまた、制御信号を供給
して排気タービン１５の羽根（図示せず）を制御するこ
ともできる。
【００１３】制御ユニット２２、５０はまた、さまざま
な他の電気構成部分（図示せず）に電力を供給すること
もできる。アクチュエータ１９に供給された制御信号を
また、センサ５２によって感知されたエンジン温度など
の感知されたパラメータの関数として制御することもで
きる。制御ユニット５０はファンモータ２６および／ま
たはポンプ３２の速度を、感知された冷却液の温度とエ
ンジン１０の出力との関数として制御することが好まし
い。発電機の出力はエンジンの出力に関係するので、エ
ンジンの出力が増加するにつれてその出力を増加するよ
うにポンプ３２を制御することができる。
【００１４】ここで図２を参照すると、ターボ発電機１
７は、タービン１５からの排気ガスを受け入れるＨｏｎ
ｅｙｗｅｌｌ製またはＣａｐｓｔｏｎｅ製のマイクロタ
ービンなどの可変容量タービン１８、および発電機２０
を含む。タービン１８は、排気タービン１５の出口に連
結された入口４０と、アクチュエータ１９に供給された
制御信号に応答してタービンブレード４４への排気ガス
の流れを調節するＨｏｎｅｙｗｅｌｌ製またはＧａｒｒ
ｅｔｔ製の調節可能羽根装置におけるなどの調節可能羽
根４２とを有する。タービン１８はシャフト４８を通じ
て発電機２０を駆動する。
【００１５】制御ユニット２２は、全体の効率を最適化
するためにターボ発電ユニット１７をエンジン制御ユニ
ット５０からの入力の関数として制御することが好まし
い。例えば、制御ユニット２２は十分なエネルギーが排
気ガスにおいて使用可能であるときにのみターボ発電ユ
ニット１７を活動化することが好ましい。制御ユニット
２２は、ターボ発電ユニット１７が単独で所要の電気エ
ネルギーを供給することができないときに、ターボ発電
ユニット１７と電動発電機１１の両方を活動化すること
が好ましい。制御ユニット２２は、発電機２０の出力の
周波数を解析することによって、速度制御の目的で発電
機２０の速度を決定することができる。制御ユニット２
２はまたタービン羽根４２の位置を調節して、所定の記
憶された「マップ」と制御戦略に基づいてタービンの出
力を制御および最適化することもできる。
【００１６】本発明を特定の実施形態と共に説明した
が、先の説明に照らせば、多くの代替、修正形態、変形
形態が当業者には明白であることを理解されたい。ター
ビン動力式の発電ユニットはクランク軸駆動の交流発電
機と共に作用することができ、共通の制御システムによ
って制御することが可能である。発電機からの電気出力
は冷却関連の負荷に動力を供給することができる。ま
た、利用可能な動力を、バッテリ充電、照明、および運
転室の快適性などの負荷に使用することもできよう。し
たがって本発明は、添付された特許請求の範囲の精神と
範囲の中に含まれるすべてのこのような代替案、改訂、
および変形を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による排気エネルギー回収システムの簡
素化された概略図である。
【図２】図１の可変容量タービン発電機の部分切欠斜視
図である。
【符号の説明】
１０ エンジン １１ フライホィール電動発電機 １２ 排気マニホルド １４ ターボチャージャ １５ 排気駆動第１段排気タービン １６ 吸気コンプレッサ １７ タービン発電ユニット １８ 可変容量第２段タービン １９ アクチュエータ ２０ 発電機 ２１ 排気ゲートアクチュエータ ２２ 二重電圧制御ユニット ２４ バッテリ ２５ 超大容量コンデンサ ２６ ファンモータ ２８ エンジン冷却ファン ３０ ラジエータ ３２ 電動冷却液ポンプ ３６ 冷却液導管 ３８ 冷却液導管 ４０ タービンの入口 ４２ タービン羽根 ４４ タービンブレード ４８ シャフト ５０ 制御ユニット ５１ ケーブル ５２ センサ ５３ ケーブル ５４ オイル圧力センサ ５６ 電動オイルポンプ

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関のためのエネルギー回収システ
    ムであって、 エンジンからの排気ガスによって駆動される第１段ター
    ビンと、 第１段タービンからの排気ガスによって駆動される第２
    段タービンと、 第２段タービンによって駆動される発電機と、 電動冷却装置のモータによって駆動されるエンジン冷却
    装置と、 発電機から電力を受け入れて電力を冷却装置のモータに
    供給するための制御ユニットとを包含するエネルギー回
    収システム。
  2. 【請求項２】 冷却装置がラジエータを通じて空気を吹
    き付けるためのエンジン冷却ファンを含む、請求項１に
    記載のエネルギー回収システム。
  3. 【請求項３】 冷却装置が、エンジンとラジエータとを
    通じて冷却液を循環させるために、電動ポンプモータに
    よって駆動されるエンジン冷却液ポンプを含む、請求項
    １に記載のエネルギー回収システム。
  4. 【請求項４】 制御ユニットがポンプのモータに電力を
    供給し、エンジン出力の関数としてポンプモータの速度
    を制御する、請求項３に記載のエネルギー回収システ
    ム。
  5. 【請求項５】 冷却液温度信号を制御ユニットに提供す
    るための冷却液温度センサをさらに含み、前記制御ユニ
    ットは感知された冷却液温度の関数としてポンプモータ
    を制御する、請求項４に記載のエネルギー回収システ
    ム。
  6. 【請求項６】 第２段タービンが可変容量タービンを含
    む、請求項１に記載のエネルギー回収システム。
  7. 【請求項７】 制御ユニットが高電圧および低電圧で電
    力を提供する、請求項１に記載のエネルギー回収システ
    ム。
  8. 【請求項８】 第１段タービンが吸気コンプレッサを駆
    動する、請求項１に記載のエネルギー回収システム。
  9. 【請求項９】 第２段タービンがアクチュエータによっ
    て制御される排気ゲートを含み、アクチュエータは制御
    ユニットによって制御される、請求項１に記載のエネル
    ギー回収システム。
  10. 【請求項１０】 内燃機関のためのエネルギー回収シス
    テムであって、 エンジンから排気ガスを受け入れる第１段タービンによ
    って駆動される吸気コンプレッサを有するターボチャー
    ジャユニットと、 第１段タービンからの排気ガスによって駆動される第２
    段タービンと、 第２段タービンによって駆動される発電機と、 電動ポンプモータによって駆動されるエンジン冷却液ポ
    ンプと、 発電機から電力を受け入れて電力をポンプモータに供給
    するための制御ユニットとを包含するエネルギー回収シ
    ステム。
  11. 【請求項１１】 前記エネルギー回収システムが、ラジ
    エータを通じて空気を吹き付けるための電動ファンモー
    タによって駆動されるエンジン冷却ファンをさらに含
    む、請求項１０に記載のエネルギー回収システム。
  12. 【請求項１２】 制御ユニットが電力をポンプモータに
    供給し、ポンプモータの速度をエンジン出力の関数とし
    て制御する、請求項１０に記載のエネルギー回収システ
    ム。
  13. 【請求項１３】 冷却液温度信号を制御ユニットに提供
    する冷却液温度センサをさらに含み、前記制御ユニット
    は感知された冷却液温度の関数としてファンモータを制
    御する、請求項１１に記載のエネルギー回収システム。
  14. 【請求項１４】 第２段タービンが可変容量タービンを
    含む、請求項１０に記載のエネルギー回収システム。
  15. 【請求項１５】 制御ユニットが高電圧および低電圧で
    電力を提供する、請求項１０に記載のエネルギー回収シ
    ステム。
  16. 【請求項１６】 第２段タービンがアクチュエータによ
    って制御される排気ゲートを含み、アクチュエータは制
    御ユニットによって制御される、請求項１０に記載のエ
    ネルギー回収システム。
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US10/125127 2002-04-18
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