JPH0347414B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、エンジンの排気エネルギーを回収す
るエンジンの排気エネルギー回収装置に関し、特
に排気エネルギーから電気エネルギーを得るエン
ジンの排気エネルギー回収装置に関する。

内燃機関であるガソリンエンジンやデイーゼル
エンジンは、燃料をシリンダ内で燃焼させて発生
するエネルギーによつてピストンを押し下げて出
力を発生し、シリンダ内での燃焼により発生した
排気ガスはそのまま排気マニホールドから外気方
向に排出される。この排気ガスは高温かつ高圧で
あり、今だかなりのエネルギーを保持している。

ところで、最近内燃機関の各部たとえば排気マ
ニホールドの外壁、シリンダライナー、シリンダ
ヘツド断熱板、排気バルブ、ピストンなどに耐熱
セラミツクスを使用した断熱式の内燃機関が開発
されている。この内燃機関は、従来の如くその内
部に発生した熱を放熱して内燃機関を冷却すると
いうことを行う必要はないので、従来のものより
も高熱、高エネルギーの排気ガスを取り出すこと
ができる。

エンジンの排気エネルギー回収装置は、この排
気ガスを取り出してこのエネルギーをクランク軸
に帰還させて運転効率を高めようとするものであ
つて、従来から行なわれているものを説明する
と、排気ガスにより回転されるタービンを排気口
近くに配設せしめておき、このタービンから得ら
れた余剰の回転力を多段のギヤによる速度変換に
より減速し、クランク軸に帰還させるものであ
る。しかしながら、かかる装置はエネルギー回収
装置全体の構造が複雑であり、かつ伝達効率が悪
いため、内燃機関全体の値段を高価なものにする
ばかりか運転効率もあまり良くはなく、部分負荷
では使用できないという欠点もあつて、あまり有
効なものではなかつた。

このため、本発明者は、排気タービンに交流発
電機を、エンジンに直流電動機を設け、排気ガス
により交流発電機から発生する電気エネルギーを
直流電動機に与えて、エンジンの出力軸に排気エ
ネルギーを帰還せしめる新規な排気エネルギー回
収装置を既に出願している。また、通常のエンジ
ンを使用し、上記既出願のものとほぼ同様な装置
が、スイス特許第192652号公報に示されて、公知
である。

この既出願に係るエネルギー回収装置や従来か
ら知られている装置は、通常運転時には好都合に
動作するが、エンジンの低速、高負荷時やブレー
キ時には、排気エネルギーによつてエンジンの出
力軸を駆動すると、かえつてエンジンの効率を減
少したり、エンジンブレーキの効きを減少させて
しまうという欠点が生じていた。

従つて、本発明の目的は、排気エネルギーの回
収を可能とすると共に低速、高負荷時のエンジン
のトルクを向上することのできるエンジンの排気
エネルギー回収装置を提供するにある。

以下、本発明を図面に従い詳細に説明する。

第１図は本発明の前提となる既出願のエネルギ
ー回収装置の構成図であり、同図中１は断熱形式
のエンジンである。このエンジンは、前述のよう
に、シリンダライナー、シリンダヘツド断熱板、
排気バルブ、ピストンなどにセラミツクスを使用
した断熱式のものである。２は排気マニホールド
であり、外壁はセラミツクスで構成されて、断熱
構造となつている。排気マニホールド２の先端に
は、排気タービン３が接続されている。３ａはタ
ービン渦室であり、内部にタービンブレード３ｂ
が回転可能に配設されている。４は高圧の交流発
電機であり、その回転軸は排気タービン３のター
ビン軸３ｃと直結している。交流発電機４は、回
転子が永久磁石で構成され、固定側に電機子巻線
を配設した２極交流発電機である。この交流発電
機４は、排気タービン３により、最高１分間に約
10万回程度の回転数で駆動されるので、回転子は
細くかつ回転軸方向に長く形成されており、高速
回転により生ずる遠心力を極力少なくして、回転
子の破壊を防止している。また、この交流発電機
４は高速回転であるため、自動車用としては高電
圧の約200V程度、周波数3.5KHz程度の交流電圧
を発生する。５はサイリスタ・ブリツジにより構
成されているコンバータであり、交流発電機４に
より発電された交流を直流（脈流）に変換する。
このコンバータを構成するサイリスタは、3.5K
Hz程度の周波数でも十分に作動する高周波用のサ
イリスタである。６はコンバータ５のサイリスタ
ゲートを制御するゲート制御回路である。７は直
流電動機であり、その回転軸は２枚の歯車７ａと
７ｂを介してエンジン１の回転軸１ａと連結して
いる。この直流電動機７はエンジン１の回転数と
ほぼ同一回転数にて動作する直流直捲電動機がよ
い。８は直流電動機７の駆動電流を検出する電流
検出器である。

次に既提案の動作について説明する。

エンジン１が回転を始めて、排気タービン３か
ら高温の排気ガスが排出されると、排気タービン
３のタービンブレード３ｂが回転を始め、交流発
電機４が駆動されて、発電を始める。ゲート制御
回路６は当初、コンバータ５を構成するサイリス
タのゲートを大きく開き、交流発電機４で発生し
た電力を直流電動機７に供給してこれを駆動しよ
うとするが、排気タービン３の回転数が少ないた
め、交流発電機４の出力電圧も小さく、直流電動
機７を駆動するに至らない。

一方、直流電動機７はエンジン１により回転さ
れ、発電機となつて直流電圧を発生するが、ゲー
ト制御回路６はコンバータ５を「直流電動機７力
行」状態にゲート制御しているので、直流電動機
７で発電された電力は逆流しない。

エンジン１の回転数が漸次上昇して排気ガスの
量も多くなり、その温度も上昇すると、交流発電
機４の出力電圧も上昇し、逆に直流電動機７を駆
動するようになる。そして、直流電動機７はエン
ジン１の回転軸１ａをその出力が増加する方向に
駆動するため、排気ガスが有するエネルギーが回
収されてエンジン１の回転軸に帰還される。エン
ジンの回転数が変化してもゲート制御回路６がサ
イリスタのゲートを制御して常に直流電動機７を
最適負荷条件のもとで駆動できるように制御す
る。

この様な、既提案の構成においては、特に低速
高負荷時においては、直流電動機７を駆動してエ
ンジン１を出力増加方向に駆動しても、交流発電
機４の出力が大きくなく、又エンジンの負荷が大
のため、エンジンの出力増加効果は小さい。

このため、本発明では、交流発電機４の軸に直
結して吸気コンプレツサを設け、電動機７を発電
機、交流発電機４を電動機として利用して電動機
７側の発電力で吸気コンプレツサを駆動してエン
ジンを過給し、低速トルクを上昇せしめる様にし
ている。

第２図は本発明の一実施例構成図であり、図
中、第１図と同一のものは同一の記号で示してあ
り、１０は吸気マニホールドであり、吸気管１０
ａを有するもの、１１は吸気用コンプレツサであ
り、排気タービン３のタービン軸３ｃに直結さ
れ、タービン軸３ｃの回転に応じて圧縮した気体
を吸気管１０ａを介し吸気マニホールドに送り込
むもの、１２は第１の発電兼電動機であり、ター
ビン軸３ｃに連結され、タービン軸３ｃとともに
回転するもの、１３は第２の発電兼電動機であ
り、ギア７ａと軸１３ａが連結され、エンジン１
の回転軸１ａとともに回転するもの、１４は周波
数変換回路であり、サイリスタゲートで構成さ
れ、指令に応じて第１の発電兼電動機１２からの
三相出力を周波数変換して第２の発電兼電動機１
３へ出力するとともに第２の発電兼電動機１３か
らの三相出力を周波数変換して第１の発電兼電動
機１２に出力するもの、１５はトランスであり、
周波数変換回路１４と接続し、変圧動作を行うも
の、１６はインバータ回路であり、交直又は直交
流変換するもの、１７はバツテリーである。１８
はスイツチであり、第１の発電兼電動機１２と周
波数変換回路１４とを接続／切断するもの、１９
は吸入空気流量計であり、吸気マニホールド１０
に流入する空気流量Ｑを計測するもの、２０は回
転速度計であり、エンジン１の回転軸１ａの回転
数REを計測するもの、２１はタービン３のター
ビン軸３ｃの回転数RTを計測するもの、２２は
制御回路であり、マイクロコンピユータ等で構成
され、前述の流量計１９からの空気量Ｑ、各回転
速度計２０，２１からの回転数RE、RT、及び
ブレーキ状態信号BR、アクセル等から負荷状態
信号LDを読み取り、エンジン１の状態を判定し、
周波数変換回路１４及びスイツチ１８を制御する
ものである。

次に第２図実施例の構成の動作について説明す
る。

先ず、エンジンの通常運転時、即ち制御装置２
２がブレーキ状態信号BRが発生していないと判
断し、回転数RE及び負荷信号LDとにより低速で
なく、高負荷でないと判断した時には、周波数変
換回路１４を第１の発電兼電動機１２から第２の
発電兼電動機１３方向の周波数変換に動作せしめ
るとともに、スイツチ１８を閉とし、第１の発電
兼電動機１２を発電機に、第２の発電兼電動機１
３を電動機として動作せしめ、タービン軸３ｃの
回転による発電機１２の発電出力を周波数変換回
路１４で周波数変換し、電動機１３に供給して電
動機１３を駆動する。これによりエンジン１の回
転軸１ａが出力増加方向に駆動され、排気ガスの
エネルギーの回収が可能となる。この間制御装置
２２はタービン回転数RT及びエンジン回転数
REを読みとり、電動機１３に過大な出力が送ら
れない様に周波数変換回路１４のサイリスタのゲ
ート制御を行い、エンジン１の出力増加方向に若
干駆動する様な周波数の出力を電動機１３に与え
る様に制御する。

一方、制御装置２２がブレーキ状態信号BRか
らブレーキ状態でないことを検出し、エンジン回
転数REから低速であること、負荷状態信号LDか
ら高負荷であることを検出すると、次の様に制御
する。即ち、第２の発電兼電動機１３を発電機と
して用いてエンジン１の出力を一部取り出すこと
により、第１の発電兼電動機１２を電動機として
用い、吸気コンプレツサ１１の吸気圧を高め、低
速時のターボ効果を高めた方が直接的にエンジン
１の出力増強を行うことができトルク向上を得ら
れる。従つて、制御装置２２はスイツチ１８を閉
に保つとともに、周波数変換回路１４を制御し、
第２の発電兼電動機１３からの発電出力を周波数
変換して第１の発電兼電動機１２に供給し、第１
の発電兼電動機１２を電動機として使用し、第１
の発電兼電動機１２を駆動することによつて吸気
コンプレツサー１１を駆動して吸気マニホールド
１０に流入する空気圧（給気圧）を高める。これ
によつて、エンジン１はより過給されるので、エ
ンジン１はよりトルク増強方向に駆動され、第３
図に示す様に低速時のトルクが従来の実線のもの
から点線のものに上昇する。

更に、制御装置２２がブレーキ状態信号BRに
よりブレーキ状態と判定すると、スイツチ１８を
開とし、発電兼電動機１２からの発電出力が周波
数変換回路１４に入力するのが禁止され、従つて
発電兼電動機１３の駆動が中止される。このた
め、エンジン１は出力増加方向に駆動されなくな
り、しかも発電兼電動機１３が負荷となるため、
エンジンブレーキの効果が上昇する。この間にエ
ネルギーの回収が中止されない様にするため、発
電兼電動機１３を発電機として用いる。このた
め、制御装置２２はブレーキ状態を検出すると、
周波数変換回路１４を制御し、発電兼電動機１３
からの発電出力を周波数変換して出力する様に制
御せしめる。この周波数変換回路１４の出力は、
スイツチ１８が開放されているので、トランス１
５に入力して変圧され、インバータ回路１６によ
り直流に変換され、バツテリー１７を充電する。
これにより、ブレーキ時にはエネルギーの回収が
可能となる。この場合スイツチ１８を閉にして、
第１の発電兼電動機１２を電動機として駆動する
こともできるが、この様にすると、吸気コンプレ
ツサ１１が駆動され、吸気圧が高まりエンジン１
が出力増大方向に駆動されるので好ましくない。

又、極く低速時には、第１の発電兼電動機１２
の発電出力が小さいため、第２の発電兼電動機１
３が駆動されないことが考えられ、エンジン１の
負荷となる恐れがある時は、バツテリー１７の出
力をインバータ回路１６で交流に変換し、トラン
ス１５で昇圧し、周波数変換回路１４を介し、第
２の発電兼電動機１３に供給して第２の発電兼電
動機１３を電動機として駆動することができる。
この時、バツテリーの過放電を防止するため、周
波数変換回路１４が、コンデンサ等によりブレー
キエネルギー（第２の発電兼電動機１３からバツ
テリー１７へ流れるエネルギー）とバツテリー１
７の放出エネルギーを電力積分して、検出し、ブ
レーキエネルギー以上の放出を防止する様にして
もよい。

上述の説明では、周波数変換回路１４は双方向
のサイクロコンバータにより説明したが、一対の
サイクロコンバータや、インバータ・インバータ
の構成等の周知の周波数変換回路としてもよく、
トランス１５を第２の発電兼電動機１３に接続し
てもよい。更に、３相交流機の場合について説明
したがｎ相交流でもよく、直流機によつてもよ
く、この場合周波数変換回路は出力変換回路とす
ることができる。

以上説明した様に、本発明によれば、通常運転
時には、エンジンのタービン軸に設けられた第１
の発電兼電動機の発電出力をエンジンの回転軸に
設けられた第２の発電兼電動機に供給し、排気エ
ネルギーを回収してエンジンの出力増強を行なう
とともに、低速高負荷時に第２の発電兼電動機か
ら発生する電気エネルギーを第１の発電兼電動機
に与えて第１の発電兼電動機を電動機として駆動
し、タービン軸に直結した吸気コンプレツサを駆
動してエンジンに過給を施しているので、低速で
のターボ効果が向上し、低速時のエンジントルク
を大巾に向上せしめることができるという効果を
奏する。従つて、低速時におけるエンジンのエネ
ルギー回収が可能となるとともに一層エネルギー
回収効果を高めるものである。

尚、本発明を一実施例により説明したが、本発
明は上述の実施例に限定されることなく、本発明
の主旨に従い種々の変形が可能であり、これらを
本発明の範囲から排除するものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の前提となる既提案のエンジン
のエネルギー回収装置構成図、第２図は本発明の
一実施例構成図、第３図は第２図実施例によるト
ルク上昇を説明する特性図である。 図中、１…エンジン、３…タービン、３ｃ…タ
ービン軸、１０…吸気マニホールド、１１…吸気
コンプレツサ、１２…第１の発電兼電動機、１３
…第２の発電兼電動機、１７…バツテリー、１８
…スイツチ、２２…制御回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ エンジンの排気回路に吸気コンプレツサを駆
   動する排気タービンを結合するとともに、該排気
   タービンに第１の電動発電機を連結し、エンジン
   の回転軸には第２の電動発電機を連結し、かつ、
   エンジン過排気状態を検出する手段と、エンジン
   低速高負荷状態を検出する手段と、エンジン過排
   気状態検出時に第１の電動発電機の発電エネルギ
   ーにて第２の電動発電機を力行運転せしめる制御
   手段と、エンジン低速高負荷検出時に第２の電動
   発電機の発電エネルギーで第１の電動発電機を力
   行せしめる制御手段とを有することを特徴とする
   エンジンのエネルギー回収装置。