JP3132266B2 - 排気エネルギー回収装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの排気系統の
途中に複数個の発電機を設け、排気エネルギーを回収す
る排気エネルギー回収装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、エンジンの各部、例えば排気マニ
ホールドの外壁，シリンダライナー，シリンダヘッド断
熱板，ピストン等に、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。このエンジンでは、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いの
で、その排気ガスは高温であり、多大のエネルギーを有
している。これをそのまま大気へ放出したのでは勿体な
いので、排気管を流れる途中で回収することが提案され
ている。

【０００３】従来提案されている回収装置としては、タ
ーボチャージャの回転軸に発電機およびモータとしても
使える回転電機を取り付けた回転電機付ターボチャージ
ャのほかに、原動機としてのタービンが排気ガスによっ
て駆動されるタービン発電機を設けた装置がある。回転
電機およびタービン発電機には、いずれも同期機が用い
られている。

【０００４】高温の排気ガスは、回転電機付ターボチャ
ージャを通過して来ても、なお大きなエネルギーを有し
ているので、タービン発電機をも充分に駆動し得る。従
って、発電は、回転電機付ターボチャージャの回転電機
で行われるほか、タービン発電機でも行われる。発電に
よって回収された電力は、バッテリを充電したり車両負
荷に給電したりするのに使われるほか、回転力が車両の
クランク軸あるいは車両駆動軸に伝達されるよう配置さ
れているモータ（アシストモータ）を駆動するのに使わ
れる。

【０００５】図２は、上述したような従来の排気エネル
ギー回収装置を示す図である。図２において、１はエン
ジン、２は吸気マニホールド、３は排気マニホールド、
４はエンジン回転センサ、５は吸気管、６は排気管、７
は回転電機付ターボチャージャ、８はコンプレッサブレ
ード、９はタービンブレード、１０は回転センサ、１１
は回転電機、１２は回転子、１３は固定子巻線、１４は
タービンブレード、１５は回転センサ、１６はタービン
発電機、１７は回転子、１８は固定子巻線、１９はイン
バータ，２０は整流平滑回路、２１，２２はＤＣ−ＤＣ
変換部、２３は平滑回路、２４はレギュレータ、２５は
インバータ、２６はモータ、２７はクランク軸、２８は
レギュレータ、２９はバッテリ、３０はコントローラ、
３１はアクセル開度センサ、３２はブースト圧センサで
ある。

【０００６】モータ２６は、エンジン負荷が大きい場合
などに、クランク軸２７の回転を補助するトルクを与え
るためのものである。モータ２６としても、同期機が用
いられている。そのモータ駆動電圧としては、バッテリ
電圧をＤＣ−ＤＣ変換部２２により昇圧し、インバータ
２５で交流に変換した電圧が用いられる。排気エネルギ
ーより回収した電力を、モータ２６の駆動に用いれば、
排気エネルギーがクランク軸２７の回転を補助するトル
クという形で、生かされることになる。

【０００７】回転電機１１の固定子巻線１３はインバー
タ１９に接続されるが、インバータ１９の直流側は、Ｄ
Ｃ−ＤＣ変換部２１を経てバッテリ２９と接続されると
共に、平滑回路２３，レギュレータ２４を経てもバッテ
リ２９と接続される。ＤＣ−ＤＣ変換部２１の経路は、
バッテリ２９等から回転電機１１へ電力を送る場合に通
り、レギュレータ２４の経路は、回転電機１１の発電電
力をバッテリ２９に送る場合に通る。

【０００８】また、タービン発電機１６の固定子巻線１
８は、整流平滑回路２０，レギュレータ２８を経てバッ
テリ２９と接続される。ＤＣ−ＤＣ変換部２２の低圧側
（インバータ２５側ではない側）は、バッテリ２９に接
続される。なお、各ＤＣ−ＤＣ変換部としては、公知の
構成のものが使用される。

【０００９】コントローラ３０は、各種センサからの検
出信号、例えば回転数検出信号，ブースト圧検出信号，
アクセル開度検出信号等を参考にしつつ、インバータ１
９，ＤＣ−ＤＣ変換部２１，２２，レギュレータ２４，
２８等を制御する。例えば、ブースト圧センサ３２で検
出されたブースト圧をみて、回転電機１１をモータ運転
する必要があるかどうか決め、あればＤＣ−ＤＣ変換部
２１，インバータ１９を制御する。アクセル開度センサ
３１の検出信号は、加速するか否かのドライバーの意志
を反映しているので、それに応じて回転電機１１をモー
タ運転したり発電機運転したりする。

【００１０】なお、コントローラ３０のレギュレータ２
４，２８に対する制御は、それらを動作させるか、動作
を停止させるかといった制御であって、電圧をバッテリ
電圧の値にする制御ではない。

【００１１】図３は、インバータの構成例を示す図であ
る。この構成は公知のものであり、Ｄはダイオード、Ｓ
はスイッチング素子である。スイッチング素子Ｓとして
は、例えばトランジスタが使用される。ダイオードＤ
は、スイッチング素子Ｓに対して逆並列に接続されてい
る。これは、スイッチング素子Ｓがスイッチング動作す
る際に処理しなければならないフライホイール電流を流
す経路を提供する等の役割を果たしている。この例で
は、スイッチング素子ＳとダイオードＤの逆並列接続ユ
ニットを６組用いて、３相の交流が得られるようにされ
ている。各スイッチング素子Ｓのスイッチング制御は、
コントローラ３０によって行われる。

【００１２】以上のような構成の排気エネルギー回収装
置で、エンジン１の排気ガスが排気管６を流れると、タ
ービンブレード９およびタービンブレード１４が回転さ
れ、回転子１２，１７が回転される。タービン発電機１
６は、文字通り発電機としてのみ動作する。回転電機１
１は、エンジン１の状況（言い換えれば、これが搭載さ
れている車両の状況）に応じて、発電機として動作させ
られたりモータとして動作させられたりする。例えば、
ブースト圧が充分な大きさであり、それ以上過給する必
要がない状況では、発電機として動作させられる。ブー
スト圧が不足している状況では、モータとして動作させ
られる。次に、以上の動作について更に詳しく説明す
る。

【００１３】タービン発電機１６の固定子巻線１８に誘
起される発電電圧は、整流平滑回路２０を経た後、レギ
ュレータ２８でバッテリ２９を充電するに適した値の電
圧に制御され、バッテリ２９を充電したり、図示しない
車両負荷に給電したり、あるいはモータ２６を駆動する
のに使われる。

【００１４】回転電機１１が発電機として動作させられ
ている場合、コントローラ３０からの指令によりＤＣ−
ＤＣ変換部２１の動作は停止される（つまりオフ）。固
定子巻線１３に誘起される発電電圧は、インバータ１９
に内蔵されている整流素子（図３のＤ）により整流さ
れ、平滑回路２３，レギュレータ２４を経て、バッテリ
２９を充電するに適した値の電圧に制御される。この電
圧も、レギュレータ２８からの電圧と同様、バッテリ２
９を充電したりするのに使われる。

【００１５】回転電機１１をモータとして動作させたい
場合は、コントローラ３０からの指令でレギュレータ２
４はオフとされる。バッテリ２９からの電圧（レギュレ
ータ２８からの電圧がバッテリ電圧にまで上昇していれ
ば、レギュレータ２８からの電圧も）が、ＤＣ−ＤＣ変
換部２１により昇圧され、インバータ１９で交流電圧に
変換されて回転電機１１に印加される。なお、昇圧動作
のための制御信号はコントローラ３０から与えられる。

【００１６】なお、この種の排気エネルギー回収装置に
関する従来の文献としては、例えば特開昭62−284923号
公報がある。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た従来の排気エネルギー回収装置では、回転電機１１，
タービン発電機１６として同期機を用いているので、Ｄ
Ｃ−ＤＣ変換部，レギュレータ等の電圧変換部を多く必
要とし、コストが高くなると共に、そこでエネルギーを
ロスしてしまうという問題点があった。

【００１８】（問題点の説明）周知のように、同期機に
おいては、回転数が大になれば誘起される発電電圧（モ
ータ運転の場合なら、モータ駆動電圧）も大きくなる。
従って、発電電圧をバッテリ電圧まで降圧させたり、あ
るいはバッテリ電圧を所要のモータ駆動電圧まで昇圧さ
せたりするのには、レギュレータとかＤＣ−ＤＣ変換部
といった電圧変換部を必要とする。

【００１９】しかし、これらの電圧変換部を設けると、
当然のことながらコストアップを招くと共に、そこでエ
ネルギーを幾らかロスしてしまう。例えば、ＤＣ−ＤＣ
変換部のエネルギー変換効率は７０〜８０％であるの
で、２０〜３０％程度のエネルギー損失を生じる。本発
明は、以上のような問題点を解決することを課題とする
ものである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の排気エネルギー回収装置では、ターボチャ
ージャに取り付けられ発電機またはモータとして運転さ
れる誘導機の回転電機と、排気ガスにより駆動される誘
導機のタービン発電機と、前記回転電機に接続された第
１のインバータと、該第１のインバータの直流側に順次
接続された第１の励磁電源部および第１の平滑回路と、
前記タービン発電機に接続された第２のインバータと、
該第２のインバータの直流側に順次接続された第２の励
磁電源部および第２の平滑回路と、少なくとも前記第
１，第２の平滑回路とバッテリとの間の接続を切り換え
る回路切換部と、前記回転電機およびタービン発電機の
発電電圧が略バッテリ電圧になる励磁となるよう前記第
１，第２のインバータを制御すると共に、前記回路切換
部の切り換えを制御するコントローラとを具えることと
した。

【００２１】

【作 用】ターボチャージャに取り付けられ、発電機
またはモータとして運転される回転電機と、排気ガスに
より駆動されるタービン発電機には、従来、いずれも同
期機が用いられていたが、本発明では誘導機を用いる。
そして、その発電電圧の大きさは、励磁電源をインバー
タにより制御することにより、バッテリ電圧に略等しい
値となるようにする。従って、バッテリを充電するの
に、発電電圧を降圧する必要がなくなる。

【００２２】また、前記回転電機には誘導機を用いるの
で、これをモータ運転する場合、回転数が大になったと
してもモータ駆動電圧を大にする必要がない。従って、
バッテリ電圧を昇圧する必要がなくなる。以上により電
圧変換部を設ける必要がなくなるので、電圧変換部を設
けることによるコスト上昇やエネルギー損失を回避する
ことが出来る。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図１は、本発明の排気エネルギー回収装置
を示す図である。符号は図２のものに対応し、３３はイ
ンバータ、３４，３５は励磁電源部、３６，３７は平滑
回路、３８は回路切換部、３９は励磁電源部である。図
２と同じ符号の部分は、従来と同様の動作をするので、
その説明は省略する。

【００２４】図４は、図１における誘導機とインバータ
と励磁電源部との接続関係を示す図であり、回転電機１
１とインバータ１９と励磁電源部３４を例にとって描か
れている（タービン発電機１６，モータ２６に関しても
同様である）。励磁電源部３４は、励磁電源３４−１
と、逆流阻止用ダイオード３４−２とからなっている。
励磁電源３４−１は、バッテリ２９を利用して得ること
が出来る。インバータ１９の交流側は、誘導機の固定子
巻線と接続される。

【００２５】本発明では、使用する回転機（回転電機１
１，タービン発電機１６およびモータ２６など）とし
て、誘導機を使用する。誘導機が発電機として動作して
いる場合、回転数が大になっても発電電圧が大になるこ
とはない（図２の従来例では、同期機を使用していたの
で、回転数が大になると発電電圧も大になっていた）。
誘導機１１（ＩＭ…Induction Machine ）の発電電圧
は、励磁電源部３４からの電圧をインバータ１９によっ
て制御することにより、制御される。同様に、発電機が
モータとして動作している場合、回転数が大になったか
らといって、大きなモータ駆動電圧を必要とはしない。

【００２６】そこで本発明では、励磁電流の制御によ
り、発電電圧を略バッテリ電圧の値になるようにしてお
く。こうしておくと、バッテリ電圧を高電圧に昇圧した
り、高電圧からバッテリ電圧に降圧したりするための電
圧変換部は不用となる。そのため、コストは安くなり、
エネルギー損失は少なくなる。

【００２７】回路切換部３８は複数のスイッチから成
り、コントローラ３０からの信号により回路の接続を切
り換える。例えば、タービン発電機１６の発電電圧でバ
ッテリ２９を充電しようとする場合には、平滑回路３７
とバッテリ２９とが接続される。また、回転電機１１
を、タービン発電機１６の発電電圧とバッテリ２９とで
モータ運転する場合には、平滑回路３７とバッテリ２９
が、平滑回路３６と接続される。モータ２６をバッテリ
２９で駆動する場合には、バッテリ２９とインバータ２
５とが接続される。

【００２８】次に、以上のような構成の排気エネルギー
回収装置の動作を説明する。タービン発電機１６は発電
運転するのみであるので、回転電機１１が発電運転する
場合とモータ運転する場合とに分けて説明する。

【００２９】まず、回転電機１１も発電運転する場合に
ついて説明する。回転電機１１とタービン発電機１６の
発電電圧は、インバータ１９，３３の整流素子（図３の
Ｄ）により整流され、平滑回路３６，３７により平滑さ
れる。発電電圧は、励磁電源部３４，３５からの励磁電
流によりバッテリ電圧程度にされているから、平滑回路
３６，３７の出力電圧は略バッテリ電圧である。モータ
２６を駆動しない場合には、コントローラ３０からの指
令により、回路切換部３８は平滑回路３６，３７をバッ
テリ２９と接続する。モータ２６を駆動する場合には、
バッテリ２９に接続すると共に、インバータ２５にも接
続する。

【００３０】次に、回転電機１１をモータ運転する場合
について説明する。この時の電源は、バッテリ２９，タ
ービン発電機１６である。コントローラ３０からの指令
により、バッテリ２９と平滑回路３７と平滑回路３６と
が接続される。モータ駆動電圧は、インバータ１９を経
て回転電機１１に印加される。回転電機１１には誘導機
を用いているから、回転数が大になったからといって大
きな電圧を必要とすることはない。

【００３１】モータ２６を駆動する場合には、バッテリ
２９の電圧、あるいは回転電機１１またはタービン発電
機１６の発電電圧が、回路切換部３８を経てインバータ
２５に供給される。なお、車両がエンジンブレーキをか
けて走行する場合には、モータ２６はクランク軸２７の
回転力によって回転される。従って、それを駆動力とし
て発電運転させることも出来る。そのようにしたけれ
ば、インバータ２５の直流側に平滑回路を接続しておく
必要がある。発電電力は、回路切換部３８を経てバッテ
リ２９を充電したりするのに使われる。

【００３２】

【発明の効果】以上述べた如く、本発明によれば、排気
エネルギー回収装置に使用する回転電機やタービン発電
機として、同期機ではなく誘導機を用い、その励磁を制
御することにより発電電圧の大きさは略バッテリ電圧と
なるようにする。そのため、電圧を降圧したり昇圧した
りする電圧変換部は不用となり、コストダウンが図れる
と共にエネルギー損失を減少させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の排気エネルギー回収装置を示す図

【図２】 従来の排気エネルギー回収装置を示す図

【図３】 インバータの構成例を示す図

【図４】 図１における誘導機とインバータと励磁電源
部との接続関係を示す図

【符号の説明】

１…エンジン、２…吸気マニホールド、３…排気マニホ
ールド、４…エンジン回転センサ、５…吸気管、６…排
気管、７…回転電機付ターボチャージャ、８…コンプレ
ッサブレード、９…タービンブレード、１０…回転セン
サ、１１…回転電機、１２…回転子、１３…固定子巻
線、１４…タービンブレード、１５…回転センサ、１６
…タービン発電機、１７…回転子、１８…固定子巻線、
１９…インバータ、２０…整流平滑回路、２１，２２…
ＤＣ−ＤＣ変換部、２３…平滑回路、２４…レギュレー
タ、２５…インバータ、２６…モータ、２７…クランク
軸、２８…レギュレータ、２９…バッテリ、３０…コン
トローラ、３１…アクセル開度センサ、３２…ブースト
圧センサ、３３…インバータ、３４，３５…励磁電源
部、３６，３７…平滑回路、３８…回路切換部、３９…
励磁電源部

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ターボチャージャに取り付けられ発電機
   またはモータとして運転される誘導機の回転電機と、排
   気ガスにより駆動される誘導機のタービン発電機と、前
   記回転電機に接続された第１のインバータと、該第１の
   インバータの直流側に順次接続された第１の励磁電源部
   および第１の平滑回路と、前記タービン発電機に接続さ
   れた第２のインバータと、該第２のインバータの直流側
   に順次接続された第２の励磁電源部および第２の平滑回
   路と、少なくとも前記第１，第２の平滑回路とバッテリ
   との間の接続を切り換える回路切換部と、前記回転電機
   およびタービン発電機の発電電圧が略バッテリ電圧にな
   る励磁となるよう前記第１，第２のインバータを制御す
   ると共に、前記回路切換部の切り換えを制御するコント
   ローラとを具えたことを特徴とする排気エネルギー回収
   装置。