JPH0579805B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は内燃機関の排気エネルギーを回収させ
ることの可能なターボチヤージヤ付のコンパウン
ドエンジンのエネルギー回収装置に係り、特に、
排気エネルギーにより駆動される交流電機と、車
軸に設けた交流電機を制御してエネルギーの回収
を計るターボコンパウンドエンジンのエネルギー
回収装置に関するものである。

（従来の技術） 近年、内燃機関の各部、例えば、排気マニホー
ルド、シリンダライナー、シリンダヘツド、ピス
トンなどにセラミツクスを使用した断熱構造の内
燃機関が開発されている。この種、内燃機関によ
れば、その内部に発生した熱を放熱して冷却する
必要がなく、排気される高温度のガスのエネルギ
ーを回生させて内燃機関の出力軸に帰還させ、内
燃機関の出力の向上に利用できる。

このような排気エネルギーの回生方法として、
従来から排気ガスにより駆動されるターボの回転
力を、多段の歯車機構によつて減速し、クランク
軸を回転させて、その出力を増加させるものが知
られている。

また、排気エネルギー回生装置として、特開昭
59−141713号公報にて、交流発電機を有する排気
タービンを排気ガスのエネルギーにより回転さ
せ、該交流発電機の出力にて、内燃機関の出力軸
に設けた誘導電動機を駆動して、排気エネルギー
を回収するとともに、内燃機関の負荷の大小を判
別する手段によつて吸気量を制御して、小負荷時
には排気ガス温度を高くする提案がなされてい
る。

（発明が解決しようとする問題点） このような排気エネルギーの回生方法におい
て、前者における多段の歯車機構を用いてクラン
ク軸に回転力を帰還させる方法は、歯車機構の伝
達効率が低下し、またその機構が複雑となるので
コストも嵩む欠点を生ずる。

後者の排気エネルギー回生装置の提案は、交流
発電機にて発電した電力を誘導電動機に入力して
回転させ、エンジンの出力軸を駆動させるので歯
車機構を必要とせず、内燃機関の負荷によつて吸
気量を制御して、排気エネルギー回収の効率化を
計つているが、内燃機関の負荷に応じて発電量の
制御や、発電電力をバツテリに充電に利用するな
どの改良の点が存在する。

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、歯車機構を使用せず、排気エネ
ルギーを発電機としての第１の回転電機にて電気
エネルギーに変換して回収し、内燃機関の回転数
や、負荷に応じて回収した発電電力にて車軸に設
けた電動機としての第２の回転電機を駆動するこ
とによつて、排気エネルギーの回収を計るターボ
コンパウンドエンジンのエネルギー回収装置を提
供するにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、燃焼室、排気管などを断熱構
造とした内燃機関の排気管内に第１の回転電機を
有する排気タービンを設けたターボコンパウンド
エンジンのエネルギー回収装置において、内燃機
関により回転される車軸の回転数を検出する検出
手段と、前記内燃機関により駆動される車軸に設
けた第２の回転電機と、該検出された内燃機関に
より回転される車軸の回転数を基にして該第２の
回転電機を力行させる周波数を発生させる手段
と、該手段により発生された周波数の電力を該第
２の回転電機に供給して該第２の回転電機を駆動
する駆動手段とを具備することを特徴とするター
ボコンパウンドエンジンのエネルギー回収装置が
提供される。

（作用） 本発明は断熱構造を備えた内燃機関の排気管内
に、回転電機をそれぞれに有するターボチヤージ
ヤと排気タービンとを取付け、車軸には発電機あ
るいは電動機となる回転電機を設け、さらに、内
燃機関の負荷センサ、車軸の回転センサ、変速機
のギヤセンサ、クラツチのクラツチセンサなどの
駆動制御手段を設けて、これらのセンサからの検
出信号に応じて車軸に設けた第２の回転電機を駆
動制御し、排気エネルギーの回収に当つて複雑な
歯車機構を使用せずに、内燃機関の運転状況によ
つて排気エネルギーを電気エネルギーや車輪の駆
動力とするものである。

（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図は本発明にかかるターボコンパウンドエ
ンジンのエネルギー回収装置の一実施例を示す構
成ブロツク図である。

図において、１は燃焼室や排気管などを断熱構
造とした内燃機関であり、吸気マニホールド２に
は吸気管２ａが、排気マニホールド３には排気管
３ａがそれぞれ接続されている。

４は排気管３ａからの排気ガスにより駆動され
るターボチヤージヤであり、タービンブレード４
ａとコンプレツサブレード４ｂと間には発電機ま
たは電動機となる第１の回転電機５が取付けられ
ている。そして、タービンブレード４ａと同軸上
には強力な残留磁気力を有する永久磁石よりなる
ロータ５ａが設けられ、タービンブレード４ａが
排気ガスのエネルギーにより駆動されると、該ロ
ータ５ａに対向するステータ５ｂの巻線からは、
交流電力が誘起され、発電機としての第１の回転
電機５の電気出力となり切換装置５ｄに送電され
る。なおタービンブレード４ａの駆動によつて、
コンプレツサブレード４ｂは吸気管２ａ、吸気マ
ニホールド２を介して過給気を内燃機関１に送出
するが、そのブースト圧は吸気管２ａの途中に設
けたブーストセンサ２ｂによつて検出され、検出
信号BSは後述するコントローラ１０に送られる。

一方、タービンブレード４ａを駆動した残留エ
ネルギーを有する排気ガスＧは、排気口４ｃに連
通して設けられた排気タービン６に導かれ、ター
ビンブレード６ａを駆動して、排気エネルギーを
殆ど失つて排気口６ｂより排出される。４ｄは排
気ガスＧの圧力センサであり、検出信号GSをコ
ントローラ１０に発する。７はその回転軸をター
ビンブレード６ａと同軸上に設けた発電機として
の第３の回転電機であり、回転軸には強力な残留
磁気力を持つ永久磁石よりなるロータ７ａが設け
られ、該ロータ７ａが駆動力を受けて回転する
と、対向して設けられたステータ７ｂの巻線に交
流電力を誘起し、変圧器８に送電する。なお、７
ｃはこの交流電力の電圧を検出する電圧検出器で
あり、検出電圧E₂を後述するコントローラ１０
に送出する。また、５ｃは前記第１の回転電機５
を発電機として動作させたときの出力電圧を検出
する電圧検出器であり、発電時の交流電圧を検出
して、検出電圧E₁をコントローラ１０に送出す
る。

変圧器８は第３の回転電機からの交流電力を入
力し、コントローラ１０から発せられる制御信号
CS₂により所定電圧に変圧するものであり、この
交流電力を出力側に接続された整流器９に送出す
る。そして、整流器９にて整流された直流電力は
インバータ１１に送電される。

一方、前記切換装置５ｄに入力された発電機と
しての第１の回転電機５からの発電機の交流電力
は、コントローラ１０の発する制御信号CHの制
御を受けて変圧器１２に入力される。そして、変
圧器１２はコントローラ１０からの制御信号CS₁
により所定電圧に変圧して、出力側に接続した整
流器１３を介してバツテリ１４に送出するととも
に、インバータ１１にも送電する。インバータ１
１は送電された直流電力をコントローラ１０から
の制御信号IS₁に対応する所定周波数の交流電力
に変換し、車軸１５と同軸上に設けた電動機また
は発電機となる第２の回転電機１６に供給して車
軸１５を駆動して車輪１７を回転させる。なお、
１８は車軸１５の回転数を検出する回転センサで
あり、検出信号WSをコントローラ１０に送出す
る。

１９は信号DSによりその動作をターン・オン
及びターン・オフできる整流器であり、コントロ
ーラ１０からの制御信号DSにしたがい、第２の
回転電機１６の発電時の交流電力を直流に変換し
て、バツテリ１４に供給し充電するものである。

インバータ２０はコントローラ１０からの制御
信号IS₂に応じてバツテリ１４からの直流を所定
周波数の交流電力に変換し、切換装置５ｄを介し
て電動機として作動する第１の回転電機５に送電
し、例えば、内燃機関１への過給気圧が低いとき
など、第１の回転電機５を電動機作動にして過給
気圧を高めるように構成されている。

なお、図中、２１は内燃機関１のラツク位置を
検出して内燃機関１の負荷を検出する負荷センサ
であり、２２は変速機のギヤポジシヨンを検出す
るギヤセンサであり、２３はクラツチポジシヨン
を検出するクラツチセンサであり、それぞれ検出
信号として、RS、GP、CLをコントローラ１０
に送出する。なお、１ａは内燃機関の回転数セン
サで、コントローラ１０に回転数信号ｒ，ｐ，ｍ
を送出する。

第２図は本実施例の作動の一例を示す処理フロ
ー図であり、第３図は内燃機関のトルクとエンジ
ン回転との関係を示す曲線図である。

第２図のステツプ１において、負荷センサ２１
にて検出されるエンジン回転数が800回転以下の
ときは、ギヤセンサ２２からのギヤ信号GPと、
クラツチセンサ２３からのクラツチ信号CLとに
より、内燃機関１のアイドリング状態を検出して
（ステツプ２、３）、コントローラ１０は切換装置
５ｄを制御信号CHにて切換え、第１の回転電機
５を発電機としてその出力を変圧器１２、整流器
１３を介して直接にしてバツテリ１４を充電する
（ステツプ４〜５）。

ステツプ１の回転信号RSが800回転以上のとき
は、クラツチ信号CLが断を示したり、ギヤ信号
GPが断（ギヤポジシヨン＝ニユートラル）の場
合は、前記と同じくステツプ４〜５に進み、バツ
テリ１４の充電を行う。

ステツプ７にてギヤ信号GPが接の場合は、回
転信号RSにて内燃機関１の回転をさらにチエツ
クし、2000回転以上か否かを判断する（ステツプ
８）。そして、2000回転以下であり、エンジン負
荷Ｌが無負荷状態でなく、第３図に示すLD₁より
小さい軽負荷状態と判断すると（ステツプ８、
９、10）ステツプ11に進み、第１の回転電機５の
発電電力を変圧器１２、整流器１３を介してイン
バータ１１に送電する（ステツプ11〜12）。

一方、タービンブレード４ａを駆動した後の排
気ガスＧにて排気タービン６を回転させ、第３の
回転電機７を発電機として駆動してその発電電力
を変圧器８に入力し、制御信号CS₂によつて所定
電圧に制御ののち、整流器９によつて直流とし、
インバータ１１に送出する（ステツプ13〜14）。
なお、排気ガスＧの圧力を排圧センサ４ｄにて検
出し、排気ガスの有するエネルギーを所定の限度
まで電気エネルギーに変換するように、排圧信号
GS、電圧検出信号E₂によつてコントローラ１０
は作動し、変圧器８に制御信号CSを送出する。

ステツプ12および14にてインバータ１１に入力
された電力は、回転センサ１８の回転信号WSが
コントローラ１０に入力されることにより発せら
れるインバータ１１への制御信号IS₁にて制御さ
れて、所定周波数を有す交流電力となり、電動機
として作動する第２の回転電機１６を駆動する
（ステツプ15〜16）。そして、第２の回転電機１６
は力行運転となり、回転数よりやゝ高速に制御さ
れるので、常に車輪１７を助勢するよう作動する
（ステツプ17）。

ステツプ10において、エンジン負荷Ｌが第３図
に示すLD₁とLD₂との間の状態ではステツプ18よ
りステツプ19に進み、第１の回転電機５の発電出
力を切換装置５ｄによつて停止させ、排気エネル
ギーの主力をコンプレツサブレード４ｂの回転に
充て、過給気圧を高めて内燃機関１に供給する
（ステツプ19〜20）。また、第３の回転電機７の出
力は変圧器８、整流器９を介してインバータ１１
に入力し、前記と同様に、車軸１５の回転力を助
勢する如く第２の回転電機１６を駆動する（ステ
ツプ21〜22）。

ステツプ18において、エンジン負荷ＬがLDよ
り大きいと判断されると、切換装置５ｄは制御信
号CHにより第１の回転電機５を電動機作動に切
換えるとともに、バツテリ１４からの直流はイン
バータ２０に入力され、制御信号IS₂によつて所
定周波数の交流電力に変換されて切換装置５ｄを
介して第１の回転電機５を駆動する。そして、吸
気管２ａに設けらえたブーストセンサ２ｂの検出
圧力が所定の圧力となるように制御される（ステ
ツプ23〜24）。また、前記と同様に排気ガスＧの
エネルギーによる発電機としての第３の回転電機
７の交流出力は、変圧器８、整流器９、インバー
タ１１を介して電動機として作動する第２の回転
電機１６に供給され、車軸１５の回転力の助勢を
行う（ステツプ25〜26）。

ステツプ９にて負荷信号RS、クラツチ信号
CL、ギヤ信号GPなどにより、エンジン負荷Ｌが
無負荷であり、エンジンブレーキ状態と判断され
ると、ステツプ27に進み、コントローラ１０から
の制御信号CHにより切換装置５ｄが発電機とし
て作動する第１の回転電機の発電電力を変圧器１
２に導き、整流器１３を介してバツテリ１４を充
電する（ステツプ27〜28）。また、第３の回転電
機７の発電電力も変圧器８、整流器９を介してイ
ンバータ１１に入力され、第２の回転電機１６の
巻線に供給される（ステツプ29〜30）。そして、
コントローラ１０からの制御信号DSが整流器１
９に受信されると、車輪１７の慣性力により駆動
されている発電機として作動する第２の回転電機
１６の発電電力は、上記ステツプ28の電力ととも
に整流器１９によつて直流に変換され、バツテリ
１４を充電する（ステツプ29〜31）。

以上、本発明を一実施例によつて説明したが、
本発明の主旨の範囲内で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。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明は断熱構造
を備えた内燃機関の排気管内に、発電機として作
動する第１の回転電機を有するターボチヤージヤ
と、発電機となる第３の回転電機を有する排気タ
ービンを取付け、車軸には発電機となる第２の回
転電機を設け、さらに、内燃機関の負荷センサ、
車軸の回転センサ、変速機のギヤセンサ、クラツ
チのクラツチセンサをそれぞれ設けて、これらの
センサからの検出信号により、内燃機関のアイド
リング回転時には、ターボチヤージヤの第１の回
転電機にて発電してバツテリを充電し、内燃機関
が軽負荷のときは、ターボチヤージヤの第１の回
転電機の発電電力と、排気タービンの第３の回転
電機の電力とにて車軸の第２の回転電機を電動機
駆動して車輪の回転力を助勢し、低回転で高負荷
時には、ターボチヤージヤの第１の回転電機を電
動機としてバツテリからの電力にて駆動して過給
気圧を高めて内燃機関に圧送し、エンジンブレー
キ時には第１および第３の回転電機の双方の発電
機にて発電してバツテリの充電を行うなどの駆動
制御が出来るので、排気エネルギーの回収に当つ
て複雑な歯車機構を使用せずに、内燃機関の運転
状況によつて排気エネルギーを電気エネルギーや
車輪の駆動力に変換して効率のよい回収効果を得
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るターボコンパウンドエン
ジンのエネルギー回収装置の一実施例を示す構成
ブロツク図、第２図はその作動の一例を示す処理
フロー図、第３図は内燃機関のトルクをエンジン
回転との関係を示す曲線図である。 １……内燃機関、２ｂ……ブーストセンサ、４
……ターボチヤージヤ、５……第１の回転電機、
６……排気タービン、７……第３の回転電機、１
０……コントローラ、１４……バツテリ、１５…
…車軸、１６……第２の回転電機、１８……回転
センサ、２１……負荷センサ、２２……ギヤセン
サ、２３……クラツチセンサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃焼室、排気管などを断熱構造とした内燃機
   関の排気管内に第１の回転電機を有する排気ター
   ビンを設けたターボコンパウンドエンジンのエネ
   ルギー回収装置において、前記内燃機関により回
   転される車軸の回転数を検出する検出手段と、前
   記内燃機関により駆動される車軸に設けた第２の
   回転電機と、該検出された内燃機関により回転さ
   れる車軸の回転数を基にして該第２の回転電機を
   力行させる周波数を発生させる手段と、該手段に
   より発生された周波数の電力を該第２の回転電機
   に供給して該第２の回転電機を駆動する駆動手段
   とを具備することを特徴とするターボコンパウン
   ドエンジンのエネルギー回収装置。 ２ 前記排気タービンは、その第１の回転電機を
   有するターボチヤージヤの排出口に設けた第３の
   回転電機を有する排気タービンとの２段タービン
   とし、これら両者の回転電機の出力を加算した電
   力により第２の回転電機を駆動するようにしたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のター
   ボコンパウンドエンジンのエネルギー回収装置。 ３ 前記駆動制御手段は、前記内燃機関のアイド
   リング時には第１の回転電機にて発電してバツテ
   リを充電する手段と、前記内燃機関が小負荷時に
   は第１の回転電機にて発電して第２の回転電機を
   駆動する手段と、前記内燃機関が低回転で高負荷
   時にはバツテリにて第１の回転電機を駆動して過
   給気圧を高めるとともに前記第３の回転電機の出
   力にて第２の回転電機を駆動する手段と、エンジ
   ンブレーキ時には第１の回転電機と前記第３の回
   転電機にてバツテリを充電する手段とからなるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のター
   ボコンパウンドエンジンのエネルギー回収装置。