JP2510855B2 - 車両におけるエネルギ−回収装置 - Google Patents

車両におけるエネルギ−回収装置

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JP2510855B2 JP61027379A JP2737986A JP2510855B2 JP 2510855 B2 JP2510855 B2 JP 2510855B2 JP 61027379 A JP61027379 A JP 61027379A JP 2737986 A JP2737986 A JP 2737986A JP 2510855 B2 JP2510855 B2 JP 2510855B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は車両、殊に自動車におけるエネルギー回収装
置に関する。
〈従来の技術〉 近年、内燃機関の排気マニホールドの外壁、シリンダ
ライナ、シリンダヘッド断熱板、ピストンなどのセラミ
ックスを使用した断熱式のエンジンが開発されている。
この種エンジンによれば、その内部に発生した熱を放熱
してエンジンを冷却する必要がなく、発生した高温度の
排気ガスのもつエネルギーを回生させてエンジンの出力
軸に帰還させれば、エンジンの出力の向上に利用でき
る。
そして、排気エネルギー回収装置として、排気管内に
配設した排気タービンにより駆動されるターボチャージ
ャに回転電機を設け、且つ該タービンの排気口に別個の
排気タービンを配設してこれにより駆動される発電機を
設け、更に車両の駆動軸に電動機を設けて、エンジンの
運転状態に応じて前記２種の発電機を制御し、また前記
電動機を駆動して車両の走行力を助勢しようとする提案
が特願昭60−233938号（特公平２−52089号）にて示さ
れている。
〈発明が解決しようとする課題〉 上述のエネルギー回収装置においては、排気エネルギ
ーの回収に際し、アクセル踏込量の変化に応じてエネル
ギーを回収制御する場合、エンジンの吸入圧とブースト
圧との圧力比に応じて排気エネルギーを回収制御するも
のであり、エンジン運転状態の広範囲にわたってエネル
ギーの回収制御を考えたものではない。殊に、前記エネ
ルギー回収装置では、該装置を車両に搭載した際、加速
時等エンジンが高負荷の場合には、ブースト圧が迅速に
は上昇しないことから、エンジンが車両の負荷に速やか
に応答できないという問題がある。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、
その目的とするところは、車両の運行状況によって多様
に変化するエンジンの運転状態に応じて排気エネルギー
を回収する際、エンジンが高負荷の場合には、ターボチ
ャージャに連結された交流機に充分な電力を供給してブ
ースト圧を迅速に上昇させるものである。ブースト圧を
上昇させた結果排気中の余剰エネルギーが生じたとき
は、それを下流に設けた排気タービンによって回収する
ことが可能である。また、本発明では、車両の車軸に交
流機を設置して制動エネルギーの回収も可能としてい
る。
〈課題を解決するための手段〉 上記目的を達成するための本発明車両におけるエネル
ギー回収装置は、内部で発生する熱の放熱を抑制するよ
う構成され、車両に搭載されたエンジンの排気により回
転する排気ターボチャージャと該ターボチャージャの下
流に排気タービンを設け、上記排気ターボチャージャに
交流機を、また上記排気タービンに発電機を直結する一
方、前記車両の車軸に車軸交流機を配設せしめ、エンジ
ン、クラッチ、変速機、アクセルの状態変化を検知して
信号を発するセンサ類と、該センサ類の信号に基きエン
ジン負荷に応じて作動する制御装置を備えるとともに、
該制御装置は、エンジン負荷の大きいとき、前記交流機
に前記バッテリから電力を供給して前記排気ターボチャ
ージャのコンプレッサを駆動し、エンジンの発生エネル
ギーを増加させ、その排気エネルギーを前記排気タービ
ンを介して発電機に吸収せしめ、該発電機による電力を
前記車軸交流機に供給せしめるよう制御することを特徴
とする。
〈作用〉 本発明では、エンジンの排気管に交流機を有する排気
ターボチャージャと発電機を有する排気タービンを接続
し、車輪の駆動軸には車軸交流機を取り付け、エンジ
ン、クラッチ、変速機、アクセルの状態変化を検知して
信号を発するセンサ類の信号に基き、エンジン負荷など
の変化に対応して制御を行なう。
特に、車両の加速時等のエンジン高負荷時において
は、バッテリからターボチャージャの交流機に電力を供
給し、ブースト圧の迅速な上昇を図ってエンジンの出力
を速かに増大させる。このとき発生する余剰エネルギー
は、ターボチャージャ下流に設置した排気タービンで電
力として回収し、バッテリの充電を行うことができる。
エンジンの中・低負荷時においては、ターボチャージャ
やその下流の排気タービンを最適に制御して可能な限り
排気エネルギーを回収するとともに、車両のブレーキ時
には、車軸の交流機を発電機として作動させて、制動エ
ネルギーも回収することができる。
〈実施例〉 つぎに、本発明の実施例について図面を用いて詳細に
説明する。
第１図は本発明に係る車両におけるエネルギー回収装
置の一実施例を示す構成ブロック図である。
図において、１はエンジンであり、その燃料室や排気
管の主要部に断熱材料を用いて断熱構造としてあり、吸
気管２の途中にはブースト圧（Ｐ）を検出するブースト
センサ2aが設けられ、排気管３には排気エネルギーにて
作動するターボチャージャ４が接続されている。該ター
ボチャージャ４のタービンブレード4aとコンプレッサブ
レード4bとの間には交流機５が取付けられ、タービンブ
レード4aが排気エネルギーにより駆動されると交流機５
は発電機として作動して交流電力が出力される。また、
該交流機５に所定の交流電力を供給すると電動機とな
り、コンプレッサブレード4bを駆動してターボチャージ
ャ４の過給気動作を助勢し、エンジン１のブースト圧を
上昇させる。なお、4dはターボチャージャ４の入口に設
けた排圧センサである。
６は排気タービンであり、ターボチャージャ４の排気
口4cに接続され、ターボチャージャ４からの残留エネル
ギーを有する排気ガスによってブレード6aが駆動され
る。そして、該ブレード6aには同軸上に発電機７の回転
軸が直結されているので、排気ガスＧのエネルギーは、
電気エネルギーに変換されて、発電機７から出力され
る。なお、6bは排圧センサであり、排気ービン６の入口
に設けられ、排気Ｇの圧力を検出し、その検出信号は後
述するコントローラ（電子制御装置）10に送出される。
８は車輪であり、エンジン１により駆動される駆動軸
8aを有し、該駆動軸8aには車軸交流機９の回転軸が直結
されている。そして、発電機作動時の交流機５の交流出
力や、発電機７からの交流出力がコントローラ10を介し
て、所定の交流電力に変換されて車軸交流機９に送電さ
れることにより、該車軸交流機９は電動機作動となって
駆動軸8aを回転させ、車輪８を駆動する走行力となる。
また、車両のブレーキ時には車軸交流機９は発電機作動
となり、制動力を電気エネルギーに変換してコントロー
ラ10に送出する。
コントローラ10はマイクロコンピュータにて構成さ
れ、その入／出力インタフェースは、交流周波数を変換
するコンバータ、直流を交流に変換するインバータ、交
流を直流に変換する整流器などにより構成されている。
そして、コントローラ10に入力される制御信号として、
エンジン１の回転数を検出する回転センサ1a、ブースト
センサ2b、排圧センサ6bなどからの検出信号のほか、図
示していないが、タービン入口温度、アクセルの踏込量
を検出するアクセルセンサ1b、クラッチの結合量を検出
するクラッチセンサ1c、変速機のギヤポジションを検出
するギヤセンサ1dなどからの検出信号が入力されてい
る。なお、11はバッテリであり、該バッテリ11に流出入
する電流を積算して蓄電量を算出する積分器11aを介し
てコントローラ10に接続され、その蓄電量に基づく信号
は常にコントローラ10に入力されている。
このような構成になる本実施例の作動をつぎに説明す
る。
第２図（ａ〜ｄ）は本実施例の作動の一例を示す処理
フロー図であり、第２図（ａ）のステップ１にて、回転
センサ1aからのエンジン回転信号Ｒが800rpm以下の場合
はステップ２に進む。ここで、クラッチセンサ1cからの
信号がオフであるかまたはオンであり、ギヤセンサ1dか
らの信号がニュートラルを示すオフの場合はステップ４
に進む。このステツプ１〜３の状態はエンジンのアイド
リング時の状態を示すものであり、ステップ４にては後
述する第３図に示すタービン最適制御のフロー図にした
がって最適効率の制御が行われ、ターボチャージャ４に
設けた交流機５は発電機作動となり、排気タービン６の
発電機７とともに発電電力をコントローラ10に送電し、
内部の整流器にて交流電力を直流に変換して、積分器11
aを介してバッテリを充電する（ステップ４〜６）。
ここで、タービン最適制御について第３図の処理フロ
ー図を参照して説明する。
このタービン最適制御は、エンジンの高負荷・中負荷
の状態においても必要な場合に実行されもので、まず、
タービン入口圧、出口圧等からタービンで得られる断熱
膨張速度を理論的に演算する。次いで、タービン回転数
からタービン周速を求め、タービン周速が断熱膨張速度
の0.7倍（この条件であれば、タービン効率はピークと
なることが経験的に判明している）となるよう、発電機
７あるいは交流機５の発電量を調整するものである。
具体的には、断熱膨張速度Cadは次式によって計算さ
れる。
ここで、CP：定圧比熱 PE1およびPE2：タービン入口、出口の圧力 K:比熱比 また、TZ *は入口締切温度であって、次式で求められ
る。
ここで、T1：タービン入口温度 C1：エンジン行程容積と回転数から決定され
る排気ガス流速 そして、タービンに設けた速度センサからの信号によ
り速度値Ｕを演算し、ステップｇにおいて速度値Ｕが0.
7Cadより大きいと判断すると、タービン軸に設けた発電
機の負荷を増すようにする。
また、速度値Ｕが0.7Cadに等しいときは、ステップｉ
よりｊに進み、最適状態であるので、、その状態を所定
のΔ時間保持する。なお、ステップｉにおいて、前記Ｕ
の値が0.7Cadに等しくないと判断するとステップａに戻
り、フローを繰返す。
そして、本実施例においてのターボチャージャ４と排
気タービン６の各部の温度や圧力値などの数値が、ター
ビン作動の各状態において各種の定数とともにコントロ
ーラ10に記憶されている。
第２図（ａ）に示すステップ１にて、エンジン回転信
号Ｒが800rpm以上、またはステップ３にてギヤセンサ1d
からの信号がオンである場合はステップ７に進み、ここ
でアクセルセンサ1bからの信号がオフの場合はエンジン
ブレーキ時の状態を示すものであり、ステップ８にて交
流機５を発電機作動としてエンジン１の排圧に負荷をか
けるとともに、発電機７にも負荷を増してエンジンブレ
ーキ力を増加させ、コントローラ10を介してバッテリ11
の充電を行う（ステップ８〜10）。一方、車輪８の駆動
軸に設けた車軸交流機９は、車両の制動力を電気エネル
ギーに変換させるためにステップ11にて発電機作動とし
て交流電力を発電させ、コントローラ10を介してバッテ
リ11を充電してエネルギーを回収する（ステップ11、
９、10）。
前記ステップ７において、アクセルセンサ1bからの信
号が踏込量を検出してオンの場合は、第２図（ｂ）に示
すステップ12に進む。
ステップ12において、アクセルペダルが十分踏込まれ
て（第４図でＬ＞L2）エンジン負荷が大きく、エンジン
回転数Ｎが所定のN1より小さくて低回転のときは、アク
セル位置を検出して電動機作動の交流機５の出力を決定
し（ステップ22〜23）、バッテリ11からの電力をコント
ローラ10を介して交流機５に供給してブースト圧を高め
てエンジン出力の増大を図る。そして、ブーストセンサ
2aからのブースト圧信号を検出し、所定のブースト圧P1
より小さいときは、交流機５に供給する電力を増加する
（ステップ24〜26）。
ステップ25にて、ブースト圧ＰがP1に等しいかまたは
P1より大きくなったときは、前記の第３図に示すタービ
ン最適制御に準じて排気タービン６の制御を行い（ステ
ップ27）、発電機７を効率よく駆動してコントローラ10
に入力し、車軸交流機９を電動機作動として力行させる
よう周波数変換を行って車軸交流機９に交流電力を供給
する（ステップ28）。
ステップ13にてはアクセルペダルの踏込量Ｌが第４図
に示すL2より小さく、L3より大きいときはそのアクセル
位置とエンジン回転数をそれぞれのセンサにより検出し
て（ステップ13〜14）、ステップ15にてエンジン１への
ブースト圧値P2を決定して記憶する。そして、ステップ
16にてブーストセンサ2aからのブースト圧に基づく信号
ＰがP2より小さいときは、ステップ17にてターボチャー
ジャ４に設けた交流機５を電動機作動としてバッテリ11
よりコントローラ10を介して内蔵されたインバータにて
所定の周波数を有する交流電力に変換して供給し、コン
プレッサブレード4bを駆動してエンジン１に過給気を供
給し、その応答性を向上する（ステップ17）。そしてブ
ースト圧信号ＰがP2より大きいときは電動機作動の交流
機５への電力供給を減じ、ブーストセンサ2aからのブー
スト圧信号ＰがP2と等しいときには所定のΔｔ時間、そ
の状態を保持する（ステップ16、18〜20）。
つぎに、前記ステップ13にてアクセル位置ＬがL3より
小さく、第４図に示すL1より大きいときは、第２図
（ｃ）に示すステップ29に進み、ターボチャージャ４の
入口の排気圧力等を測定して、ターボチャージャ４が前
記のタービン最適制御に準じて作動するよう制御する
（ステップ30）。そして、ステップ31にて排気圧力が所
定の圧力よりも一定値以上大きいときは、交流機５の出
力をΔＷだけ減少させて負荷を減じ、排気圧力を適正な
値とする。つまり、エンジンの排気圧であるターボチャ
ージャ４の入口圧力が過大となると、エンジンの熱効率
が低下するので、交流機５の発電電力を減少させてエン
ジン排気圧を適正な値に保つ。同様に、ステップ33にて
は、排圧センサ6bよりのターボチャージャ下流の排気圧
力を測定し、排気タービン６が前記のタービン最適制御
に準じて作動するようステップ34にて制御する。そして
その排気圧力が所定の圧力より大きいときは、発電機７
の出力をΔW1だけ減少させて、ターボチャージャ下流の
排気圧力の減少を図る（ステップ35、36）。
つぎのステップ37にては、発電機作動の交流機５の出
力と発電機７の出力をコントローラ10に送電し、コント
ローラ10に設けたコンバータにて周波数変換後、車軸交
流機９に供給して電動機として力行させ、車輪８の駆動
を行う（ステップ39）。このようにステップ30〜39のフ
ローは、一般運転時でエンジン１の負荷が比較的大き
く、ターボチャージャの必要な状態であり、排圧の増加
を抑えて交流機５と発電機７との両方で電気エネルギー
に変換し、車輪８を駆動するフローを示している。
ステップ29において、アクセル位置Ｌが第４図に示す
L1より小のときはステップ40に進み、ブーストセンサ2b
からの信号Ｐを測定する。そして、信号Ｐが所定のブー
スト圧P0より小さいときは、ステップ42に進んで交流機
５、発電機７、車軸交流機９はそれぞれ空転状態に保持
される。またブースト圧ＰがP0より大きいときは、ステ
ップ43に進み、前記のタービン最適制御に準じてターボ
チャージャ４が最適状態に制御される。
これらの制御フローによってブースト圧ＰをP0以上に
保持しているのは、ブースト圧が非常に低下した場合に
はエンジンの負荷を確保できなくなること、及びエンジ
ンの熱効率が低下してしまうことを防ぐためである。
ブースト圧ＰがP0より大きい場合であっても、ステッ
プ43においてターボチャージャ４の最適制御を実行する
と、ブースト圧Ｐは変動してしまう。そのため、ステッ
プ44において再びブースト圧ＰがP0以上であるか否かの
判断を行い、ブースト圧がP0以下となっている場合には
交流機５の発電電力を少しずつ減少させる（ステップ4
5）。ブースト圧ＰがP0以上となったときは、第２図
（ｄ）のステップ46に移り、排気タービン６の最適制御
を実行する。この最適制御によってもブースト圧Ｐは変
動するので、その後のブースト圧を検出し、ステップ47
にてブースト圧ＰがP0の値より小さいと、発電機７の発
電電力を少量減じて（ステップ48）、交流機５からの交
流出力と発電機７の出力をコントローラ10に入力し、内
蔵のコンバータを介して車軸交流機９に供給して車輪８
の駆動を行う（ステップ49）。
つぎに、ステップ47にてブースト圧ＰがP0の値より大
きいときは、発電機作動の交流機５の出力と発電機７の
出力をコントローラ10に入力し、整流後バッテリ11の充
電を行う（ステップ50）。ステップ51にてバッテリ11の
蓄電量が積分器11aからの信号にて十分あると判断する
と、バッテリ11からの直流をコントローラ10に入力して
交流電力とするとともに、交流機５の出力と発電機７の
出力を加えて車軸交流機９に供給し、電動機作動として
力行させて車輪８の駆動を行う（ステップ52）。なお、
ステップ51にてバッテリ11の蓄電量が所定値C1以下の場
合はステップ52に進んで交流機５と発電機７の交流電力
をコントローラ10を介して車軸交流機９に供給し、車輪
８を駆動する（ステップ53、54）。
〈発明の効果〉 本発明車両におけるエネルギー回収装置は、内部で発
生する熱の放熱を抑制するよう構成され、車両に搭載さ
れたエンジンの排気により回転する排気ターボチャージ
ャと該ターボチャージャの下流に排気タービンを設け、
上記排気ターボチャージャに交流機を、また上記排気タ
ービンに発電機を直結する一方、前記車両の車軸に車軸
交流機を配設せしめ、エンジン、クラッチ、変速機、ア
クセルの状態変化を検知して信号を発するセンサ類と、
該センサ類の信号に基きエンジン負荷に応じて作動する
制御装置を備えるとともに、該制御装置は、エンジン負
荷の大きいとき、前記交流機に前記バッテリから電力を
供給して前記排気ターボチャージャのコンプレッサを駆
動し、エンジンの発生エネルギーを増加させ、その排気
エネルギーを前記排気タービンを介して発電機に吸収せ
しめ、該発電機による電力を前記車軸交流機に供給せし
めるよう制御することを特徴とするので、エンジンのア
イドリング時、同低負荷時、中高速時にエンジンの排気
エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリに充電
し或いは車輪の駆動力を助成し、また車両のブレーキ時
にエンジンブレーキ力及び車輪への制動力を電力に変換
してバッテリに充電することができる。殊にエンジンの
高負荷運転時にはバッテリからの電力にて過給圧を高め
てエンジン負荷に迅速に応答させるとともに、このとき
の余剰排気エネルギーを排気タービンにて変換した電力
にて車輪の駆動力を助成することができ、広範囲にわた
って変化するエンジン、車両の運転状態においても排気
エネルギーや制動エネルギーを効率よく回収でき、また
エンジン及び車両の効率的運転を可能とする効果を生ず
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る車両におけるエネルギー回収装置
の一実施例を示す構成ブロック図、第２図（ａ〜ｄ）は
本実施例の処理の一例を示すフロー図、第３図はタービ
ンの最適効率制御に係るフロー図、第４図はエンジン回
転数とエンジン負荷との関連を示すグラフである。 1;エンジン 1a;回転センサ 1b;アクセルセンサ 1c;クラッチセンサ 1d;ギヤセンサ 2a;ブーストセンサ 4;ターボチャージャ 4d;排圧センサ 5;交流機 6;排気タービン 7;発電機 8;車輪 9;車軸交流機 10;コントローラ（制御装置） 11;バッテリ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内部で発生する熱の放熱を抑制するよう構
    成され、車両に搭載されたエンジンの排気により回転す
    る排気ターボチャージャと該ターボチャージャの下流に
    排気タービンを設け、上記排気ターボチャージャに交流
    機を、また上記排気タービンに発電機を直結する一方、
    前記車両の車軸に車軸交流機を配設せしめ、エンジン、
    クラッチ、変速機、アクセルの状態変化を検知して信号
    を発するセンサ類と、該センサ類の信号に基きエンジン
    負荷に応じて作動する制御装置を備えるとともに、該制
    御装置は、エンジン負荷の大きいとき、前記交流機に前
    記バッテリから電力を供給して前記排気ターボチャージ
    ャのコンプレッサを駆動し、エンジンの発生エネルギー
    を増加させ、その排気エネルギーを前記排気タービンを
    介して発電機に吸収せしめ、該発電機による電力を前記
    車軸交流機に供給せしめるよう制御することを特徴とす
    る車両におけるエネルギー回収装置。
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