JPH06341325A

JPH06341325A - 排気エネルギー回収装置

Info

Publication number: JPH06341325A
Application number: JP5152919A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Takeuchi; 内清竹
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1993-05-31
Filing date: 1993-05-31
Publication date: 1994-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】エンジン１の排気系統の途中に複数個の発電
機１１，１６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おいて、全体としてのエネルギー回
収効率を向上させること。【構成】１つの発電機１１以外の発電機１６の出力側
に、発電された電圧を制御するスイッチング制御部２１
を設ける。コントローラ２３には、全体としてのエネル
ギー回収効率が最善となる電力の分担割合を、エンジン
の運転状況毎に予め求めて記憶させておく。そして、各
発電機からの電圧と回転センサ１０，１５で検出した各
発電機の回転数とを手掛かりにして、各発電機が分担し
ている電力を求める。それが前記分担割合と異なってい
た場合、前記スイッチング制御部２１を制御して分担割
合を変更する。

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（特開昭62−284923
号公報）。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。

【０００４】これらの発電電力は、整流された後、等し
い電圧に調整され、合流させてインバータに供給され、
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を駆動する電源とされ
る。従って、排気エネルギーは、最終的には、車両のク
ランク軸あるいは車両駆動軸の回転を助ける機械的回転
力という形で回収される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】

（問題点）排気ガスのエネルギーの大きさは、エンジン
の運転状況に応じて種々変化するが、前記した従来の技
術では、排気ガスのエネルギーの大きさが変化した場
合、全体としてのエネルギー回収効率が悪くなる場合が
あるという問題点があった。

【０００６】（問題点の説明）前記した従来技術では、
各発電機からの電圧を、常に同じになるよう調整し、イ
ンバータを経て負荷に供給しているので、各発電機が負
担する電力の比、つまり負荷分担の比は、常に、タービ
ンや発電機の構造等から決まる一定の値になってしま
う。しかし、その一定の比で負荷を分担することは、排
気ガスからのエネルギー回収を全体として見た場合、常
に回収効率のよい分担であるとは言えない。

【０００７】例えば、各発電機は排気ガス流路中に設け
られた各タービンによって駆動されるわけであるが、そ
れらのタービンのタービン効率は回転数によってそれぞ
れ変化するから、排気ガスのエネルギー状態が変化すれ
ば、各発電機での回収効率も変化する。従って、排気系
統に設けられた発電機全体でのエネルギー回収効率を考
えた場合、各発電機を常に一定の負荷分担比で発電させ
続けることは、必ずしも効率よく回収していることには
ならない。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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明では、エンジンの排気系統に複数個の発電機
を設け、発電電流を合流させ共通の負荷に供給して排気
ガスのエネルギーを回収する排気エネルギー回収装置に
おいて、１つの発電機以外の発電機に対応させて取り付
けられ、発電された電圧を可変する電圧制御手段と、各
発電機が分担している電力を検出する手段と、エンジン
の運転状況毎に予め定められ、全体としてのエネルギー
回収効率が最適となる分担割合となるよう前記電圧制御
手段を制御するコントローラとを具えることとした。

【０００９】

【作用】エネルギー回収効率が最適となる負荷分担
をエンジンの運転状況毎に予め求めておき、各発電機の
電力がその負荷分担となっていない場合は、１つの発電
機以外の発電機に対応させて取り付けられている電圧制
御手段により、発電された電圧を可変する。自己の分担
を増加したい場合は電圧を上昇させるよう制御し、減少
したい場合は下降するよう制御する。このように制御す
ることにより、エンジンの運転状況が変化しても、常
に、全体としてのエネルギー回収効率を良好にすること
が可能となる。

【００１０】

【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。図１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、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、１９，２０は整流回路、２１は
スイッチング制御部、２２は平滑回路、２３はコントロ
ーラ、２４はアクセル開度センサ、２５はインバータ、
２６はモータ、２７はクランク軸である。

【００１１】回転電機付ターボチャージャ７は、通常の
ターボチャージャの回転軸に、発電機またはモータとし
て運転される回転電機１１を取り付けたものである。本
発明は排気エネルギー回収装置であるので、回転電機１
１は発電機として運転される場合について述べる。回転
子１２は排気管６の途中に設けられたタービンブレード
９で回転され、固定子１３より発電電流が取り出され
る。発電電流は、整流回路１９で直流にされ、インバー
タ２５に入力される。

【００１２】回転電機付ターボチャージャ７の下流に
も、タービンブレード１４が設けられ、その回転軸はタ
ービン発電機１６の回転子１７に連結されている。ター
ビン発電機１６の固定子１８から取り出された発電電流
は、整流回路２０で直流にされ、スイッチング制御部２
１および平滑回路２２を経た後、整流回路１９からの直
流と合流させられた上でインバータ２５に入力される。
スイッチング制御部２１は、後で詳しく説明するが、整
流回路２０からインバータ２５への電圧を制御するため
に設けられている。スイッチング素子としては、例え
ば、トランジスタが用いられる。平滑回路２２は、スイ
ッチングされた直流電圧を平滑な直流電圧にする。

【００１３】インバータ２５から出力される交流は、モ
ータ２６を駆動するのに用いられる。モータ２６は、エ
ンジンのクランク軸あるいは車両の駆動軸に連結されて
おり、これらの軸へ回転力を伝え、回転を助ける。これ
により、電気エネルギーという形で回収された排気ガス
のエネルギーは、機械的エネルギーという形で役立てら
れる。

【００１４】スイッチング制御部２１の制御およびイン
バータ２５の制御は、コントローラ２３によって行われ
る。インバータ２５は、ＰＷＭ制御（ＰＷＭ…Pulse Wi
dthModulation、パルス幅変調）され、モータ２６に供
給する電力が制御される。それらの制御信号を発生させ
るために必要とされる種々の情報は、各センサからコン
トローラ２３に伝えられる。まず、整流回路１９の出力
電圧Ｖ_A，整流回路２０の出力電圧Ｖ_Bが、コントロー
ラ２３に伝えられる。エンジン回転センサ４，回転セン
サ１０，１５は、それぞれエンジンの回転数，回転電機
付ターボチャージャ７の回転数，タービン発電機１６の
回転数を伝える。アクセル開度センサ２４は、アクセル
開度、言い換えれば燃料の流量を検出して伝える。

【００１５】スイッチング制御部２１は、整流回路２０
からインバータ２５へ供給する電圧を可変するために設
けられているが、整流回路１９の側に設けてもよい。い
ずれにしても、これが設けられてない側の電圧より高く
したり低くしたりするために用いられる。この可変によ
って、モータ２６で消費する電力の内、回転電機１１が
いくら負担し、タービン発電機１６がいくら負担するか
の分担割合が変えられる。

【００１６】排気ガスが流れて行くと、回転電機１１も
タービン発電機１６も発電するが、スイッチング制御部
２１を設ける側のタービン発電機１６の発電電圧は、回
転電機１１の発電電圧より高くなるように、予め製作し
ておく（例えば、固定子１３，１８の巻線数に差をつけ
て）。その理由は、回転電機１１の電圧より高い値から
低い値まで可変できるように、制御幅を確保しておくた
めである。

【００１７】ここで、発電機の負荷分担について説明し
ておく。図４は、発電機が並列接続されて１つの負荷に
給電する場合を簡略に描いた図である。Ｚ_A，Ｚ_Bは、
それぞれ発電機Ｇ_A，Ｇ_B側のインピーダンスであり、
Ｉ_A，Ｉ_Bは、それぞれ発電機Ｇ_A，Ｇ_B側から供給し
ている電流である。また、Ｖ_A，Ｖ_Bは、各発電機側の
出力電圧である。過渡状態ではなく安定的に運転してい
る場合においては、両者は等しい電圧となっている。

【００１８】いま、Ｖ_Bを何らかの手段で高くすると、
Ｉ_Bが増大し、その分Ｉ_Aは減少する。そのため、発電
機Ｇ_Bの負担電力は増大し、発電機Ｇ_Aの負担電力は減
少する。Ｉ_Bが増大すると、Ｚ_Bでの電圧降下が大にな
るから、Ｖ_Bは低下しようとし、Ｖ_Aの方はＩ_Aの減少
により増大しようとする。新たな負荷分担で両者の電圧
が等しくなった状態で、再び安定する。逆にＶ_Bの方を
低くすると、負荷分担は逆に変化する。

【００１９】図３は、本発明の回転電機１１，タービン
発電機１６の発電特性を示す図である。これは、本発明
に特有な特性ではなく、一般的な発電特性である。図３
（イ）は回転電機１１の発電特性を表し、図３（ロ）は
タービン発電機１６の発電特性を表すものとする。図３
（イ）も（ロ）も、横軸は電流であり、縦軸は電圧と電
力であり、Ｖは電圧特性曲線，Ｐは電力特性曲線であ
る。いずれも、回転数Ｎがパラメータとなっている。即
ち、図３（イ）は、回転電機１１が回転数Ｎ_Aで発電し
ている場合の特性であり、図３（ロ）は、タービン発電
機１６が回転数Ｎ_Bで発電している場合の特性である。

【００２０】因みに、図３（イ）で図示している場合に
ついて説明すれば、回転電機１１が回転数Ｎ_Aにて回転
し、電圧Ｖ_A1で発電している時は、発電電流はＩ_A1であ
り、発電電力はＰ_A1である。また、図３（ロ）で図示し
ている場合について説明すれば、タービン発電機１６が
回転数Ｎ_Bにて回転し、電圧Ｖ_B1で発電している状態か
ら、電圧Ｖ_B2で発電している状態に変えられると、電流
はＩ_B1からＩ_B2に変化し、発電電力はＰ_B1からＰ_B2に変
化する。

【００２１】負荷には一定の電力を供給することが要求
されている場合に、上記のようにして一方の発電機の負
担電力を変化させると、他方の発電機は、その変化を補
うように変化する。本発明は、これを利用して、１つの
発電機以外の発電機に設けた電圧制御手段で、発電機の
負荷分担を調節し、全体として見た場合、回収効率が最
善となるようにする。

【００２２】では最適の負荷分担とは、どのような割合
での分担かということになるが、それは、予め実験等に
よりエンジンの運転状況毎に求めておく。即ち、エンジ
ンの運転状況は、エンジン回転数および燃料流量（これ
はアクセル開度を検出することにより検出される）によ
って規定することが出来、各状況毎に排気ガスのエネル
ギーは変化する。その排気ガスが排気管６を流れて来る
とき、もっとも効率よくエネルギーを回収するには、回
転電機１１とタービン発電機１６とにどのような割合で
負荷を分担させたらよいかは、予め実験等により求めて
おくことが出来る。その分担割合を、エンジン運転状況
をキーにしてマップにまとめ、コントローラ２３に記憶
させておく。

【００２３】エンジン回転センサ４で検出するエンジン
回転数と、アクセル開度センサ２４で検出するアクセル
開度により、エンジンの運転状況が特定される。回転セ
ンサ１０で検出した回転電機１１の回転数により、図３
（イ）のパラメータの値が分かるから、その時の発電特
性曲線も特定される。同様に、回転センサ１５で検出し
たタービン発電機１６の回転数により、図３（ロ）のパ
ラメータの値が分かるから、その時の発電特性曲線も特
定される。スイッチング制御部２１によりタービン発電
機１６の電圧を変えると、先に説明したような動作によ
り、負担電力が変えられる。

【００２４】図２は、本発明の制御動作を説明するフロ
ーチャートである。ステップ１…回転センサ１０で検出した回転数により、
その時の回転電機１１の発電特性を特定できる。その特
性は、予めコントローラ２３に記憶させてある。そし
て、回転電機１１の発電電圧を検出することにより（図
１では整流回路１９の出力電圧を検出することにより、
それに代用しているが）、その時に負担している電力を
求めることが出来る（図３参照）。

【００２５】ステップ２…同様に、回転センサ１５で検
出した回転数および整流回路２０の出力電圧を検出する
ことにより、タービン発電機１６が負担している電力を
求めることが出来る。ステップ３…エンジン回転センサ４で検出したエンジン
回転数と、アクセル開度センサ２４で検出したアクセル
開度とを基に、前記した所定のマップに照らして電力分
担比を求める。以上の結果を踏まえ、効率よくエネルギ
ーを回収するためには、回転電機１１（あるいはタービ
ン発電機１６）が負担すべき電力が決定される。

【００２６】ステップ４…回転電機１１が現在負担して
いる電力が、上記で決定された所定の分担電力以上かど
うか調べる。ステップ５…所定の分担電力より小である場合には、ス
イッチング制御部２１を制御するデューティ比を、出力
電圧が減少するように変える。スイッチング制御部２１
は、他方の発電機であるタービン発電機１６の出力側に
設けてあるから、インバータ２５に合流して流れ込む電
流の内、タービン発電機１６側から流れ込む電流は減少
し、タービン発電機１６が負担する電力も減少する（図
３（ロ）参照）。その結果、回転電機１１の負担電力は
増加する。

【００２７】ステップ６…回転電機１１の電力が所定の
分担電力以上である場合には、それと丁度等しいか否か
を調べる。等しい場合は、望ましい負荷分担となってい
るということであるから、制御はこのままで終了する。
所定の分担電力より大である場合には、スイッチング制
御部２１を制御するデューティ比を、出力電圧が増加す
るように変える。すると、インバータ２５に合流して流
れ込む電流の内、タービン発電機１６側から流れ込む電
流は増加し、タービン発電機１６が負担する電力も増加
する。その結果、回転電機１１の負担電力は減少する。

【００２８】以上のような制御により、回転電機１１と
タービン発電機１６との負荷分担の割合は、予め適正な
ものとして定められている割合に常に保たれるから、全
体としてのエネルギー回収を効率よく行うことが出来る
ようになる。なお、スイッチング制御部２１と平滑回路
２２は、整流回路１９の出力側に設けてもよいが、その
場合には、電圧制御の余地を確保するため、回転電機１
１の発電電圧がタービン発電機１６の発電電圧より高く
なるように設計しておく。

【００２９】

【発明の効果】以上述べた如く、本発明によれば、エン
ジンの排気系統に複数個の発電機を設け、発電電流を合
流させ共通の負荷に供給して排気ガスのエネルギーを回
収する排気エネルギー回収装置において、１つの発電機
以外の発電機によって発電された電圧を制御する電圧制
御手段を設け、電圧を制御することにより、エネルギー
回収効率が最適となるようエンジンの運転状況毎に予め
定められた負荷分担に制御する。従って、常に最適の効
率でエネルギーを回収することが出来る。

【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を示す図

【図２】本発明の制御動作を説明するフローチャート

【図３】本発明の回転電機および発電機の発電特性を
示す図

【図４】発電機が並列接続されて１つの負荷に給電す
る場合を簡略に描いた図

【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、１
４…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、１９，２０
…整流回路、２１…スイッチング制御部、２２…平滑回
路、２３…コントローラ、２４…アクセル開度センサ、
２５…インバータ、２６…モータ、２７…クランク軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジンの排気系統に複数個の発電機を
設け、発電電流を合流させ共通の負荷に供給して排気ガ
スのエネルギーを回収する排気エネルギー回収装置にお
いて、１つの発電機以外の発電機に対応させて取り付け
られ、発電された電圧を可変する電圧制御手段と、各発
電機が分担している電力を検出する手段と、エンジンの
運転状況毎に予め定められ、全体としてのエネルギー回
収効率が最適となる分担割合となるよう前記電圧制御手
段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。