JP3389749B2

JP3389749B2 - 排気エネルギー回収装置

Info

Publication number: JP3389749B2
Application number: JP20052595A
Authority: JP
Inventors: 和成秋山
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1995-07-12
Filing date: 1995-07-12
Publication date: 2003-03-24
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: JPH0932565A

Description

【発明の詳細な説明】【０００１】【産業上の利用分野】本発明は、ターボチャージャに設
けた回転電機を、排気ガスにより回転させてエネルギー
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】ターボ車のターボチャージャは、排気ガ
スによりタービンを回転させて大気の吸入を促進してい
るが、発進を終え通常走行に移行した後における排気ガ
スは、タービンを回転させた後でも、まだ充分にエネル
ギーを有している。そこで、ターボチャージャに回転電
機を付設し、更に排気エネルギーを回収する装置が考え
られている。【０００３】図４は、そのような排気エネルギー回収装
置の構成を示す図である。図４において、１はエンジン
回転数センサ、２はプーリ、３はエンジン、４は排気
管、５はガバナ、６はベルト、７は吸気管、８はブース
ト圧センサ、９はターボチャージャ、１０はタービンブ
レード、１１はコンプレッサブレード、１２はターボチ
ャージャ回転電機、１２−１は回転子、１２−２は固定
子、１３はポジションセンサ、１４はプーリ、１５は車
両発電機、１６はパワーユニット、１７はバッテリ、１
８は電気負荷、１９はエンジンコントローラ、２０はエ
ネルギー回収コントローラ、２１はアクセルセンサであ
る。【０００４】プーリ２はエンジン３の軸に接続されてお
り、プーリ１４は車両発電機１５の軸に接続されてい
る。そして、プーリ２，１４は、ベルト６により連結さ
れている。これらは、エンジン３と車両発電機１５との
間の回転力伝達機構を構成しているが、両者間の回転力
伝達機構は、ギヤを噛み合わせた伝達機構で構成するこ
とも出来る。【０００５】ターボチャージャ９内には、ターボチャー
ジャ回転電機１２が設けられており、その回転子１２−
１は、ターボチャージャ９のコンプレッサブレード１１
およびタービンブレード１０の回転軸に接続され、固定
子１２−２は、ターボチャージャ９内に固定される。タ
ーボチャージャ回転電機１２としては同期機が用いら
れ、時に応じて発電機運転されたりモータ運転されたり
する。ポジションセンサ１３は、同期機であるターボチ
ャージャ回転電機１２の回転子１２−１の磁極位置を検
出するセンサである。ポジションセンサ１３からの信号
を基にして、回転数も検出することが出来る。【０００６】車両発電機１５は、車両に搭載されている
通常の発電機であり、エンジン３によって駆動されて発
電した電力は、周知のようにバッテリ１７の充電や、電
気負荷１８への給電に用いられる。しかし、ターボチャ
ージャ回転電機１２で回収されるエネルギーが大の場
合、その発電電力でバッテリ１７等への給電を行うほ
か、車両発電機１５をモータ運転もし、エンジン３の回
転を助けるトルク（アシストトルク）を付与することも
行われる。【０００７】パワーユニット１６は、車両発電機１５，
ターボチャージャ回転電機１２，バッテリ１７等と接続
され、それらの間での電力の授受を制御する。そのブロ
ック構成は、後に図５で説明する。エンジンコントロー
ラ１９は、エンジン３のガバナ５にガバナ制御信号を発
して、エンジンを制御する。ガバナ制御信号は、エンジ
ンコントローラ１９に入力されてくるエンジン回転数セ
ンサ１，ブースト圧センサ８，アクセルセンサ２１から
の検出信号、およびその他の検出信号（例、車速信号，
ラック位置信号，クラッチ信号，ブレーキ信号等々）の
中から必要なものを考慮に入れてつくられる。【０００８】エネルギー回収コントローラ２０は、エン
ジン回転数センサ１，ブースト圧センサ８およびその他
の検出信号を考慮に入れ、エネルギーが回収できる運転
状態か否かを判断し、パワーユニット１６へ制御動作を
指示する信号を発する。【０００９】ターボチャージャ９のターボ作用が弱い
（ブースト圧がまだ小さい）発進時等には、ブースト圧
を上げるため、ターボチャージャ回転電機１２にも給電
してモータ運転することが指示される。その給電は車両
発電機１５からなされるが、モータ運転とされたターボ
チャージャ回転電機１２は、タービンブレード１０の回
転を助け、ターボ作用を助長し、エンジンのトルクをア
ップする。【００１０】排気ガスのエネルギーが大であり、余分の
エネルギーを回収できる時には、ターボチャージャ回転
電機１２は発電機運転することが指示される。その発電
電力は、前記したようにバッテリ１７の充電や電気負荷
１８への給電に用いられる。また、場合によっては車両
発電機１５にも給電され、車両発電機１５をモータ運転
する。モータ運転された車両発電機１５は、回転力伝達
機構を通じてエンジン３にトルクを与え、消費する燃料
を少なくする。【００１１】図５は、パワーユニット１６の構成を示す
図である。符号は図４のものに対応し、３０はインバー
タ整流回路、３１は整流回路、３２はインバータ、３３
は平滑回路、３４は昇圧回路、３５はインバータ整流回
路、３６はインバータ、３７は整流回路、３８は平滑回
路、３９はレギュレータ、４０は切替回路、４１は制御
部である。【００１２】昇圧回路３４は、ターボチャージャ回転電
機１２をモータ運転する場合に、車両発電機１５の発電
電圧を昇圧して印加するためのものである。一般に、タ
ーボチャージャ回転電機１２の回転数は車両発電機１５
のそれより遙かに大であり、その誘起電圧は大である。
従って、ターボチャージャ回転電機１２をモータ運転す
るには、その誘起電圧より大なる電圧を印加してやる必
要があるが、車両発電機１５の発電電圧はその値に達し
ていないことがある。そこで、昇圧回路３４によって昇
圧して印加する。なお、昇圧回路３４の構成は、スイッ
チングトランジスタを用いた公知の昇圧回路である。【００１３】インバータ整流回路３０，３５は、ある時
にはインバータの役目を果たし、別のある時には整流回
路の役目も果たす回路である。その構成は、例えば、３
相ブリッジ接続されたスイッチングトランジスタのそれ
ぞれに、ダイオードを逆並列接続した構成である。【００１４】車両発電機１５の発電電圧は整流回路３０
で整流され、平滑回路３３で平滑され、点Ｐにその出力
電圧Ｖ_Pが現れる。同様に、ターボチャージャ回転電機
１２の発電電圧は整流回路３７で整流され、平滑回路３
８で平滑され、点Ｑにその出力電圧Ｖ_Qが現れる。各平
滑回路の出力電圧Ｖ_P，Ｖ_Qが切替回路４０へ入力され
ている場合、その内の高い方の電圧が選択されて、レギ
ュレータ３９に出力される。【００１５】レギュレータ３９は、切替回路４０からの
電圧を、バッテリ１７を充電したり電気負荷１８へ給電
したりするのに適した電圧に降圧制御するためのもので
ある。その構成は、例えば、スイッチングトランジス
タ，変圧器，整流平滑回路等で構成される公知のもので
ある。【００１６】図６は、エンジンにおけるトルクアップ必
要領域およびエネルギー回収領域を示す図である。横軸
はエンジン回転数を表し、縦軸はターボチャージャ回転
数を表している。なお、車両発電機１５の回転数は、エ
ンジン回転数とプーリ２，１４の回転数比とで決まる。
例えば、回転数比が、エンジン回転数：車両発電機回転
数＝１：５であり、エンジン回転数がＮである場合、車
両発電機１５の回転数は５Ｎとなる。曲線イは、ターボ
チャージャ回転電機１２をモータ運転したり発電運転し
たりしなかった場合の、ターボチャージャ回転数の変化
を示す。【００１７】エンジン回転数がＮ₁より低い領域として
示されているトルクアップ必要領域Ｅは、ターボチャー
ジャ９が排気ガスのエネルギーで回転しているだけでは
ブースト圧が低く、エンジンのトルクが小さい領域であ
る。この領域では、トルクアップが必要とされる。領域
を区切るエンジン回転数Ｎ₁は、エンジンの種類によっ
て異なる（例えば、９００ｒｐｍ）。【００１８】曲線ロの部分は、トルクアップのためにタ
ーボチャージャ回転電機１２をモータ運転し、ブースト
圧を所要の値にするべくターボチャージャ回転数を上げ
てやった場合の変化を示している。ターボチャージャ回
転電機１２をモータ運転する場合、車両発電機１５の発
電電力を、整流回路３０→平滑回路３３→昇圧回路３４
→インバータ３６→ターボチャージャ回転電機１２とい
う経路で供給する。【００１９】エンジン回転数がＮ₂より高い領域として
示されているエネルギー回収領域Ｆは、ターボチャージ
ャ９が排気ガスのエネルギーのままに回転していると、
必要以上にブースト圧が高くなってしまう領域であり、
この領域では、余分にブースト圧を高めているエネルギ
ーを、回収することが出来る。領域を区切るエンジン回
転数Ｎ₂は、エンジンの種類によって異なる（例えば、
１３００ｒｐｍ）。【００２０】曲線ハの部分は、ターボチャージャ回転電
機１２をエネルギー回収のために発電機運転した場合の
変化を示しており、ターボチャージャ回転数は下がる。
ターボチャージャ回転電機１２の発電電力は、整流回路
３７→平滑回路３８→切替回路４０→レギュレータ３９
という経路でバッテリ１７および電気負荷１８に供給さ
れると共に、整流回路３７→平滑回路３８→インバータ
３２→車両発電機１５という経路で、車両発電機１５に
供給される場合もある。かくして、排気ガスのエネルギ
ーが、電気的エネルギーおよび機械的エネルギーとして
回収される。【００２１】なお、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、特開平５−152919号公報が
ある。【００２２】【発明が解決しようとする課題】（問題点）ターボチャージャ回転電機１２の発電電力で
車両発電機１５をモータ運転して、エンジンの回転を助
けるトルク（アシストトルク）を与える場合、ベルト６
の緩み等により回転力伝達機構で機械的ロスが発生して
いることがあるが、従来は、そのようなロスについては
何ら考慮することなくモータ運転電流を流していたの
で、エネルギーの回収効率が良くなかったという問題点
があった。【００２３】（問題点の説明）回転力伝達機構で機械的
ロスが発生する場合としては、例えば、プーリ２とプー
リ１４とを連結しているベルト６が緩んでいる場合があ
る。この場合、プーリとベルトとの間にはすべりが生ず
るが、このすべりがあると、回収エネルギーの一部は両
者の摩擦熱として消えてしまうし、回転力は設定された
回転数比では伝達されない。回転力伝達機構としてギヤ
が用いられているときには、ギヤの軸に緩みが生じた場
合等に、機械的ロスが発生する。このような場合には、
やはり設定された回転数比で回転力は伝達されず、エネ
ルギー回収効率は悪くなる。本発明は、このような問題
点を解決することを課題とするものである。【００２４】【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、エネルギー
回収時にはモータ運転されエンジンにアシストトルクを
付与する車両発電機と、ターボチャージャに付設され、
ターボ作用が不足している場合にはモータ運転され、排
気エネルギーが大である場合には発電機運転されるター
ボチャージャ回転電機と、前記車両発電機，前記ターボ
チャージャ回転電機，バッテリおよび電気負荷間の電力
の流れを制御するパワーユニットと、エンジン回転数セ
ンサと、車両発電機回転数センサと、前記ターボチャー
ジャ回転電機の発電電力で前記車両発電機をモータ運転
している時のエンジン回転数と車両発電機回転数との回
転数比ズレを求め、該回転数比ズレに対応させて予め定
めてある割合に車両発電機へのモータ運転電流を制御す
る制御手段とを具えることとした。【００２５】【作用】車両発電機の他にターボチャージャ回転電
機が設けられている排気エネルギー回収装置において、
エネルギー回収時に、ターボチャージャ回転電機の発電
電力で車両発電機をモータ運転し、エンジンにアシスト
トルクを与える場合、エンジン回転数と車両発電機回転
数とを検出し、両者の回転数比が正常値からどの程度ズ
レているかを求める。そして、回転数比ズレに対応させ
て予め定めてあるモータ運転電流投入率に従い、車両発
電機へのモータ運転電流を制御する。これにより、回転
力伝達機構でエネルギーを多くロスする状態の時に、大
きなモータ運転電流を投入しなくなるので、失われるエ
ネルギーが少なく、回収効率が向上する。また、回転数
比ズレを監視することにより、回転力伝達機構に不具合
が生じていることを発見できる。【００２６】【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
のブロック図であり、符号は図４のものに対応し、２２
は車両発電機回転数センサ、２３は警報ランプである。
同じ符号のものは、同様のものであるので、その説明は
省略する。車両発電機１５をターボチャージャ回転電機
１２の発電電力でモータ運転する場合、車両発電機回転
数センサ２２で検出した車両発電機１５の回転数を、エ
ネルギー回収コントローラ２０に入力し、エンジン回転
数センサ１で検出したエンジン３の回転数と対比する。
そして、対比して求めた回転数比が、設定値からどの程
度ズレているかを調べ、そのズレに応じてモータ運転電
流の投入率を調節する。【００２７】図３は、モータ運転電流投入率の１例を示
す図である。縦軸はモータ運転電流投入率（Ｈ％）であ
り、横軸は回転数比ズレ（Ｋ％）である。モータ運転電
流投入率とは、回収エネルギーで発電機運転しているタ
ーボチャージャ回転電機１２が車両発電機１５に流し得
るモータ運転電流の、何％を実際に流させるかという率
である。流し得るモータ運転電流は、その時回収し得る
エネルギーの大きさに依存する（なお、回収し得るエネ
ルギーは、実際のブースト圧がその時の理想ブースト圧
よりどの程度大きいかにより求められる）。回転数比の
ズレがない場合はロスが少ないから１００％投入しても
よいが、ズレが大となるに従いロスが大となるから、１
００％投入するのは回収効率上得策ではない。しかし、
いきなり投入率を０％としてしまうと、ターボチャージ
ャ回転電機１２の負荷が突然大幅に軽くなることに他な
らず、ターボチャージャ回転電機１２は過回転となり危
険である。それを避けるためには、回転数比のズレが大
となるにつれて、徐々に投入率を低下させてゆくのが望
ましい。ゆえに、図４の範囲Ｂ，Ｃで、投入率は徐々に
低下させてある。【００２８】次に、回転数比ズレについて説明する。ズ
レがない（Ｋ＝０％）とは、回転数比が設定値の通り
（例えば、エンジン回転数：車両発電機回転数＝１：
５）であることを意味し、Ｋがそれより大きい％である
ことは、ズレが生じていることを示している。Ｋ₁，Ｋ
₂，Ｋ₃は、図中に記しているように、次のような値で
ある。Ｋ₁…正常ズレ範囲上限値。ここまでのズレは、一応正
常に動作しているとして扱うズレの上限値である。従っ
て、図４中の範囲Ａは正常範囲である。例えば、Ｋ₁＝
１０（％）と設定されている場合、前記の例では回転数
比が１：4.5 にズレるまでは、正常なズレ範囲として扱
う。【００２９】Ｋ₂…警報開始値。この値までズレて来た
時には、警報を開始する（図１の警報ランプ２３を点
灯）。例えば、Ｋ₂＝２０（％）と設定される（上例の
回転数比が１：４にズレることに相当）。Ｋ₁〜Ｋ₂の
範囲Ｂは、ズレは正常範囲を逸脱したものの、まだ警報
を発するまでもないという範囲である。次のＫ₃までの
範囲Ｃが、警報を発している範囲である。Ｋ₃…回生・トルクアップ動作停止値。ズレがこの値に
なったら、ターボチャージャ回転電機１２による回生動
作，車両発電機１５によるトルクアップ動作を停止す
る。例えば、Ｋ₃＝４０（％）と設定される（上例の回
転数比が１：３にズレることに相当）。Ｋ₃以降の範囲
Ｄでは、上記動作は停止される。【００３０】図２は、本発明における車両発電機のモー
タ運転制御を説明するフローチャートである。ステップ１…エンジン回転数センサ１，車両発電機回転
数センサ２２から、それぞれの回転数を検出する。ステップ２…回転数比ズレが、正常ズレ範囲上限値Ｋ₁
以下かどうか調べる。【００３１】ステップ３…正常ズレ範囲上限値Ｋ₁以下
であれば、図４の範囲Ａにあるわけであるが、この範囲
では正常に動作していることを確認する処置をとる（例
えば、エネルギー回収コントローラ２０中に正常動作確
認用のフラグを適宜設定しておき、そのフラグを立てる
処置をとる）。そして、図４によれば範囲Ａでは、モー
タ運転電流投入率は１００％と決めてあるから、ターボ
チャージャ回転電機１２から供給されるモータ運転電流
を、なんら制限することなくそのまま供給する。【００３２】ステップ４…回転数比ズレが正常ズレ範囲
上限値Ｋ₁より大の場合は、警報開始値Ｋ₂より小かど
うか調べる。ステップ５…警報開始値Ｋ₂より小であれば、図４の範
囲Ｂにあることになるが、この場合には、モータ運転電
流投入率（Ｈ）を、図４に示すように回転数比ズレに応
じた率とする。図４の例では、ズレが大になるにつれ、
５０％まで直線的に低下する率とされている。低下して
ゆく率は、適宜設定される。仮に、図４で求めたＨが７
０％であれば、ターボチャージャ回転電機１２から供給
されるモータ運転電流を、７０％に制限して供給する。
この制限は、パワーユニット１６内のインバータ３２の
デューティ比を減少させることによりなされる。【００３３】ステップ６…回転数比ズレが警報開始値Ｋ
₂より大の場合は、回生・トルクアップ動作停止値Ｋ₃
より小かどうか調べる。ステップ７…回生・トルクアップ動作停止値Ｋ₃より小
であれば、図４の範囲Ｃにあることになるが、この場合
には、モータ運転電流投入率（Ｈ）を、図４に示すよう
に回転数比ズレに応じた率とする。率は、ズレが大にな
るにつれて低下されるが、その低下率は、やはり適宜設
定される。同時に、警報ランプ２３を点灯して警報を発
する。この警報は、回転力伝達機構を修理点検する必要
があることを知らせる。ステップ８…回生・トルクアップ動作停止値Ｋ₃以上の
場合は、ターボチャージャ回転電機１２によるエネルギ
ー回生動作および車両発電機１５によるトルクアップ動
作を停止する。【００３４】【発明の効果】以上述べた如く、本発明の排気エネルギ
ー回収装置によれば、エネルギー回収時に、ターボチャ
ージャ回転電機の発電電力で車両発電機をモータ運転
し、エンジンにアシストトルクを与える場合、エンジン
回転数と車両発電機回転数とを検出し、両者の回転数比
が正常値からどの程度ズレているかに応じて車両発電機
へのモータ運転電流を制御するので、回転力伝達機構で
エネルギーを多くロスする状態の時に、大きなモータ運
転電流が投入されなくなる。そのため、失われるエネル
ギーが少なく、回収効率が向上する。また、回転数比ズ
レを監視することにより、回転力伝達機構に不具合が生
じていることを発見することが出来る。

【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のブロック
図【図２】本発明における車両発電機のモータ運転制御
を説明するフローチャート【図３】モータ運転電流投入率の１例を示す図【図４】従来の排気エネルギー回収装置のブロック図【図５】従来のパワーユニットの構成を示す図【図６】トルクアップ必要領域およびエネルギー回収
領域を示す図【符号の説明】１…エンジン回転数センサ、２…プーリ、３…エンジ
ン、４…排気管、５…ガバナ、６…ベルト、７…吸気
管、８…ブースト圧センサ、９…ターボチャージャ、１
０…タービンブレード、１１…コンプレッサブレード、
１２…ターボチャージャ回転電機、１２−１…回転子、
１２−２…固定子、１３…ポジションセンサ、１４…プ
ーリ、１５…車両発電機、１６…パワーユニット、１７
…バッテリ、１８…電気負荷、１９…エンジンコントロ
ーラ、２０…エネルギー回収コントローラ、２１…アク
セルセンサ、２２…車両発電機回転数センサ、２３…警
報ランプ、３０…インバータ整流回路、３１…整流回
路、３２…インバータ、３３…平滑回路、３４…昇圧回
路、３５…インバータ整流回路、３６…インバータ、３
７…整流回路、３８…平滑回路、３９…レギュレータ、
４０…切替回路、４１…制御部

Claims

(57)【特許請求の範囲】【請求項１】エネルギー回収時にはモータ運転されエ
ンジンにアシストトルクを付与する車両発電機と、ター
ボチャージャに付設され、ターボ作用が不足している場
合にはモータ運転され、排気エネルギーが大である場合
には発電機運転されるターボチャージャ回転電機と、前
記車両発電機，前記ターボチャージャ回転電機，バッテ
リおよび電気負荷間の電力の流れを制御するパワーユニ
ットと、エンジン回転数センサと、車両発電機回転数セ
ンサと、前記ターボチャージャ回転電機の発電電力で前
記車両発電機をモータ運転している時のエンジン回転数
と車両発電機回転数との回転数比ズレを求め、該回転数
比ズレに対応させて予め定めてある割合に車両発電機へ
のモータ運転電流を制御する制御手段とを具えたことを
特徴とする排気エネルギー回収装置。