JPH0472415A - 排気エネルギ回収装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、排気ガスによって駆動されるタービンに連結
された発電機を有し、排気ガスの有するエネルギを電気
エネルギに変換して回収する排気エネルギ回収装置に関
する。。

（従来の技術） 従来のエンジンでは、燃料の燃焼によって発生する熱エ
ネルギのうち、機械エネルギすなわち出力として利用で
きる割合は約１／３程度であり、残りの熱エネルギは冷
却装置により放熱され、また排気ガスと共に放出され利
用されていない。

そこで、燃焼室内壁をセラミック等の断熱材で被覆する
ことにより冷却装置に伝達され放熱される熱エネルギ量
を抑制し、排気ガスと共に排出される熱エネルギ量を増
加させ、該排気ガスにより排気タービンを駆動し、該排
気タービンにより吸気コンプレッサや発電機を駆動する
ことにより排気ガスの有するエネルギを回収する排気エ
ネルギ回収装置が多数提案されている。

（発明が解決しようとする課題） このような従来の排気タービンによって排気エネルギを
回収する装置ではエンジンへの負荷が変動すると該負荷
の変動に伴い排気ガスの排出量や排気温度が変動するた
め、エンジンの負荷変動に関係なくタービン効率を高状
態に維持することが困難であり、特にエンジンの低負荷
時には排気エネルギな回収することがほとんど不可能に
なるという問題がある。

尚、１個の発電機の回転軸の両側に大小２種類の排気タ
ービンを連結させ、エンジンの低負荷時には小排気ター
ビン側へのみ排気ガスを供給し、エンジンの低負荷時に
おけるタービン効率を改善する装置が、特願昭６２−４
６８０７号に記載されている。しかし、本装置では１個
の発電機を使用しているため低負荷時における発電機回
転速度を上昇させることができず、従ってタービン効率
も余り改善さす、上記問題を解決するには至らない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、エンジン
の低負荷時から高負荷時に至る負荷の全範囲においてタ
ービン効率を改善することのできる排気エネルギ回収装
置を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば、所定効率以上で運転可能な排気ガス流
量の適正範囲が上記エンジンの排気ガス排出量の全範囲
内にて連続する複数の排気タービンと、該排気タービン
の各々に連結された発電機と、エンジンの排気ガス排出
量が上記適正範囲に対応する排気タービンに排気ガスを
供給する排気ガス分岐手段とを有することを特徴とする
排気エネルギ回収装置を提供できる。

（作用） 本発明の排気エネルギ回収装置では、工、ンジンの排気
管に容量の異なる複数個の排気タービン式発電機を並列
接続させ、低負荷時には最小の容量の排気タービン式発
電機を作動させる。そして、該発電機の回転状態を回転
速度等により監視しておき、負荷の増加に伴い発電機の
作動状態が適正範囲外に逸脱する場合には、作動させる
排気タービン式発電機を順次大容量のものへと切り換え
る。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は、本発明による装置の構成を示すブロック図で
ある。

１は断熱エンジンであり、ピストンヘッド面を含む燃焼
室内壁や排気管路１１の内壁が、窒化珪素やチタン酸ア
ルミニウム等の断熱性を有するセラミックにて被覆され
ており、外部に伝達される熱エネルギ量が抑制されてい
る。

該断熱エンジンｌの排気管路１１には容量の異なる３個
の排気タービン式発電機が並列接続されている。尚該３
個の排気タービン式発電機の容量の範囲は適度に重なり
合いながら連続しており、断熱エンジンｌからの排気ガ
ス排出量の全範囲をカバーすることができるように設定
されている。

該３個の排気タービン式発電機のうち最小の容量のもの
は小排気タービン式発電機２であり、その他は該小排気
タービン式発電８Ｎ２より容量が大である中排気タービ
ン式発電＃！３と、該中排気タービン式発電機３より更
に容量が大である大排気タービン式発電機４とである。

また、上記の小排気タービン式発電［２、中排気タービ
ン式発電機３及び大排気タービン式発電機４には各々の
回転軸の回転速度を検出する回転センサ２１・３１・４
１が配設されており、更に各々と排気管路１１との間に
は排気ガスの流入口を外部からの信号により開閉制御す
る開閉バルブ２２・３２・４２が配設されている。

５は整流器であり、上記小排気タービン式発電機２、中
排気タービン式発電機３及び大排気タービン式発電機４
のうちの所望のものからの発電電力を所定の電圧に変換
すると共に直流電力に整流しバッテリ（図示せず）に供
給するものである。

６はコントローラであり、外部との信号の入出力を司る
入出力インターフェイス、プログラムや各種データを予
め記憶するＲＯＭ、該ＲＯＭに記憶されているプログラ
ムの基に演算を行うＣＰｔＪ、演算結果や入力データを
一時記憶するＲＡＭ、コントローラ内部の信号の流れを
司るコントロールメモリ等から構成されている。

そして該コントローラ６は、上記回転センサ２１・３１
・４１からの回転速度信号を基に上記開閉バルブ２２・
３２・４２を開閉駆動する。

７はインバータであり、上記整流器５によって充電され
ているバッテリの電力を所定周波数の交流電力に変換し
、上記断熱エンジン１の回転軸に連結されているモータ
７１に供給し、該モータ７１をカ行運転させるものであ
る。

次に、上記構成による排気エネルギ回収装置の作用につ
いて説明する。

第２図は、エンジン負荷りと排気タービン式発電機の回
転速度Ｎとの関係を示す図である。

図において、Ａは小排気タービン式発電機２１、Ｂは中
排気タービン式発電機３、Ｃは大排気タービン式発電機
４における関係を示している。

例えばエンジンがアイドリンク状態すなわち低負荷状態
である場合には、コントローラ６は開閉バルブ２２を開
放すると共に、開閉バルブ３２及び開閉バルブ４２を閉
鎖する。すると、断熱エンジン１からの排気ガスはすべ
て小排気タービン式発電機２の排気タービンへと導かれ
る。該小排気タービン式発電機２は排気ガスの流量が小
である場合に高効率で作動するように設定されているた
め、排気ガスの有するエネルギを有効に電気エネルギに
変換し整流器５へと出力する。

該整流器５は予めコントローラ６によって小排気タービ
ン式発電機２からの発電電力を整流するように内部スイ
ッチを切り換える制御を受けているため、該排気タービ
ン式発電機２からの発電電力をバッテリに充電すること
ができる。

エンジン負荷りが増加すると、小排気タービン式発電機
２の回転速度Ｎも上昇する。そして、該小排気タービン
式発電機２の回転速度ＮがＮ　ＩＮに到達すると小排気
タービン式発電機２の効率が急速ｉｍ　ａ　下するため
、コントローラ６は開閉バルブ２２を閉鎖すると共に開
閉バルブ３２を開放する。

すると、排気ガスはすべて中排気タービン式発電機３に
導かれ、該中排気タービン式発電機３が発電を開始する
。尚、この時すでにコントローラ６からの信号により整
流器５は中排気タービン式発電機３からの発電電力を整
流するように切り換えられている。

そしてエンジン負荷りが更に増加し、中排気タービン式
発電機３の回転速度ＮがＮ　２Ｈに到達すると、コント
ローラ６は開閉バルブ３２を閉鎖すると共に開閉バルブ
４２を開放する。そして、整流器５の内部スイッチを大
排気タービン式発電機４からの発１ｉｉｔ力を整流する
ように切り換える。

逆に、エンジン負荷りが低下する場合には、大排気ター
ビン式発電機４が作動時であれば該大排気タービン式発
電機４の回転速度ＮがＮ　ＩＬまで低下した時点にて開
閉バルブ４２を閉鎖し、かつ開閉バルブ３２を開放し中
排気タービン式発電機３を作動させる。そして、該中排
気タービン式発電機３の回転速度ＮがＮ２Ｌまで低下す
ると、開閉バルブ３２を閉鎖し開閉バルブ２２を開放し
て小排気タービン式発電機２を作動させる。

上記の作動時における排気エネルギ回収効率ηとエンジ
ン負荷りどの関係を第３図を用いて説明する。

第３図において、ａは小排気タービン式発電機２、ｂは
中排気タービン式発電機３、Ｃは大排気タービン式発電
機４の排気エネルギ回収効率ηを示す関係曲線である。

本図に示すごとく、排気エネルギ回収効率ηはエンジン
負荷りの全領域においてη１とη、との間、すなわちη
２以上の高効率状態に維持される。

ところで、上記実施例において、排気タービン式発電機
を切り換えるパラメータとして各排気タービン式発電機
の回転速度を用いたが、発電電圧を用いることができる
。この場合すなわち発電電圧を上記パラメータとして用
いると上記回転センサ２１・３１・４１を省略すること
ができ装置を簡易化することができる。尚、発電電圧の
検出機能は上記整流器５に容易に付加することができる
ことは明白である。

更には、発電電圧の代わりに発電電流をパラメータとし
て用いることにより、耐ノイズ性が改善され制御の信頼
性を向上させることができる。

尚、発電電流検出機能も上記整流器５に付加することが
できる。

上記において、本発明の実施例について詳細に説明した
が、本発明の精神から逸れないかぎりで、種々の異なる
実施例は容易に構成できるから、本発明は上記特許請求
の範囲において記載した限定以外、特定の実施例に制約
されるのものではない。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、エンジンの排気
管に容量の異なる複数個の排気タービン式発電機を並列
接続させ、低負荷時には最小の容量の排気タービン式発
電機を作動させると共に、該発電機の回転状態を回転速
度等により監視しておき、負荷の増加に伴い発電機の作
動状態が適正範囲外に逸脱する場合には、作動させる排
気タービン式発電機を順次大容量のものへと切り換える
ので、エンジンの低負荷時から高負荷時に至る負荷の全
範囲においてタービン効率を改善することのできる排気
エネルギ回収装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による装置の構成を示すブロック図、
第２図は、エンジン負荷りと排気タービン式発電機の回
転速度Ｎとの関係を示す図、第３図は、排気エネルギ回
収効率ηとエンジン負荷りどの関係を示す図である。 １・・・断熱エンジン、２・・・小排気タービン式発電
機、３・・・中排気タービン式発電機、４・・・大排気
タービン式発電機、５・・・整流器、６・・・コントロ
ーラ、７・・・インバータ、２１・３１・４１・・・回
転センサ、２２・３２・４２・・・開閉バルブ。 特許出願人　　いすｆ自動車株式会社 代　理　人　　弁理士　辻　　　實 １′ ｇゴ ぐに゛ 今」

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定効率以上で運転可能な排気ガス流量の適正範
   囲が上記エンジンの排気ガス排出量の全範囲内にて連続
   する複数の排気タービンと、該排気タービンの各々に連
   結された発電機と、エンジンの排気ガス排出量が上記適
   正範囲に対応する排気タービンに排気ガスを供給する排
   気ガス分岐手段とを有することを特徴とする排気エネル
   ギ回収装置。
2. （２）上記複数の排気タービンの各々の回転速度を検知
   する回転速度検知手段と、該回転速度が排気タービンの
   各々について予め設定された回転速度範囲外の場合に上
   記排気ガス分岐手段を作動せしめる制御手段とを有する
   ことを特徴とする請求項（１）記載の排気エネルギ回収
   装置。
3. （３）上記発電機の各々の発電電圧を検知する電圧検知
   手段と、該発電電圧が発電機の各々について予め設定さ
   れた電圧範囲外の場合に上記排気ガス分岐手段を作動せ
   しめる制御手段とを有することを特徴とする請求項（１
   ）記載の排気エネルギ回収装置。
4. （４）上記発電機の各々の発電電流を検知する電流検知
   手段と、該発電電流が発電機の各々について予め設定さ
   れた電流範囲外の場合に上記排気ガス分岐手段を作動せ
   しめる制御手段とを有することを特徴とする請求項（１
   ）記載の排気エネルギ回収装置。
5. （５）上記排気タービンの個数は３個であることを特徴
   とする請求項（１）記載の排気エネルギ回収装置。