JPH0932567A - 排気エネルギー回収装置 - Google Patents
排気エネルギー回収装置Info
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- JPH0932567A JPH0932567A JP7209207A JP20920795A JPH0932567A JP H0932567 A JPH0932567 A JP H0932567A JP 7209207 A JP7209207 A JP 7209207A JP 20920795 A JP20920795 A JP 20920795A JP H0932567 A JPH0932567 A JP H0932567A
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- electric machine
- rotating electric
- turbocharger
- inverter
- power
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 エンジン１の排気系統の途中にターボチャー
ジャ回転電機１１とタービン発電機１６とを設け、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、発電電力分担を調節して、全体としてのエネルギー
回収効率を向上させること。 【解決手段】 ターボチャージャ回転電機１１に対して
インバータ２９を接続する。そして、ターボチャージャ
回転電機を発電運転する時には、このインバータを単な
る整流回路としてではなく昇圧チョッパとして動作さ
せ、ターボチャージャ回転電機側からの出力電圧を制御
する。これにより、タービン発電機１６との電力分担の
調節が行われる。なお、インバータ２９は、ターボチャ
ージャ回転電機をモータ運転する時には、直流を交流に
変換する
ジャ回転電機１１とタービン発電機１６とを設け、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、発電電力分担を調節して、全体としてのエネルギー
回収効率を向上させること。 【解決手段】 ターボチャージャ回転電機１１に対して
インバータ２９を接続する。そして、ターボチャージャ
回転電機を発電運転する時には、このインバータを単な
る整流回路としてではなく昇圧チョッパとして動作さ
せ、ターボチャージャ回転電機側からの出力電圧を制御
する。これにより、タービン発電機１６との電力分担の
調節が行われる。なお、インバータ２９は、ターボチャ
ージャ回転電機をモータ運転する時には、直流を交流に
変換する
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】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。
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。
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、
その下流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。
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、
その下流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
い電圧に調整される。それらは合流されてインバータに
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。
い電圧に調整される。それらは合流されてインバータに
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】ところで、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
いると、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。
じになるよう調整し、インバータを経て負荷に供給して
いると、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。
【０００６】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。そこで、出願人は、全体としてのエネルギー
回収効率をよくするように、運転状況に応じて発電電力
の分担割合を変化させる技術を、既に提案している（特
開平６−341325号公報）。
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。そこで、出願人は、全体としてのエネルギー
回収効率をよくするように、運転状況に応じて発電電力
の分担割合を変化させる技術を、既に提案している（特
開平６−341325号公報）。
【０００７】図７は、そのような従来の排気エネルギー
回収装置を示す図である。図７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
ターボチャージャ回転電機、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、１
９，２０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。
回収装置を示す図である。図７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
ターボチャージャ回転電機、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、１
９，２０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。
【０００８】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
て運転し得るターボチャージャ回転電機１１を取り付け
たものである。ターボチャージャ回転電機１１の回転子
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。吸気圧が所望値に達するほどにターボ作用が行われ
ると、排気エネルギーに余力が生じて来るから、そのよ
うになって来た段階で、ターボチャージャ回転電機１１
は発電機として運転され始める。発電電流は整流回路１
９で直流にされ、インバータ２５に入力される。
ターボチャージャの回転軸に、発電機またはモータとし
て運転し得るターボチャージャ回転電機１１を取り付け
たものである。ターボチャージャ回転電機１１の回転子
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。吸気圧が所望値に達するほどにターボ作用が行われ
ると、排気エネルギーに余力が生じて来るから、そのよ
うになって来た段階で、ターボチャージャ回転電機１１
は発電機として運転され始める。発電電流は整流回路１
９で直流にされ、インバータ２５に入力される。
【０００９】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。
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。
【００１０】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。
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。
【００１１】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ＶA ，整流回路２０の出力電圧ＶB 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（これは燃料の流量、言い換えればエンジン負荷に
略比例している）を検出して伝える。
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ＶA ，整流回路２０の出力電圧ＶB 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（これは燃料の流量、言い換えればエンジン負荷に
略比例している）を検出して伝える。
【００１２】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。この電圧の可
変によって、モータ２６で消費する電力の内、ターボチ
ャージャ回転電機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。
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。この電圧の可
変によって、モータ２６で消費する電力の内、ターボチ
ャージャ回転電機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。
【００１３】排気ガスが流れて行くと、ターボチャージ
ャ回転電機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、ターボチャージャ回転電機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、
ターボチャージャ回転電機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。
ャ回転電機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、ターボチャージャ回転電機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、
ターボチャージャ回転電機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。
【００１４】次に、発電機の負荷分担について説明す
る。図９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。ＺA ，ＺB は、それ
ぞれ発電機ＧA ，ＧB 側のインピーダンスであり、
ＩA ，ＩB は、それぞれ発電機ＧA，ＧB 側から供給し
ている電流である。また、ＶA ，ＶB 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。
る。図９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。ＺA ，ＺB は、それ
ぞれ発電機ＧA ，ＧB 側のインピーダンスであり、
ＩA ，ＩB は、それぞれ発電機ＧA，ＧB 側から供給し
ている電流である。また、ＶA ，ＶB 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。
【００１５】いま、ＶB を何らかの手段で高くすると、
ＩB が増大し、その分ＩA は減少する。そのため、発電
機ＧB の負担電力は増大し、発電機ＧA の負担電力は減
少する。ＩB が増大すると、ＺB での電圧降下が大にな
るから、ＶB は低下しようとし、ＶA の方はＩA 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ＶB の方を
低くすると、負荷分担は逆に変化する。
ＩB が増大し、その分ＩA は減少する。そのため、発電
機ＧB の負担電力は増大し、発電機ＧA の負担電力は減
少する。ＩB が増大すると、ＺB での電圧降下が大にな
るから、ＶB は低下しようとし、ＶA の方はＩA 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ＶB の方を
低くすると、負荷分担は逆に変化する。
【００１６】図８は、本発明のターボチャージャ回転電
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８（イ）はターボチャージャ回転電機
１１の発電特性を表し、図８（ロ）はタービン発電機１
６の発電特性を表すものとする。図８（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８（イ）
は、ターボチャージャ回転電機１１が回転数ＮA で発電
している場合の特性であり、図８（ロ）は、タービン発
電機１６が回転数ＮB で発電している場合の特性であ
る。
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８（イ）はターボチャージャ回転電機
１１の発電特性を表し、図８（ロ）はタービン発電機１
６の発電特性を表すものとする。図８（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８（イ）
は、ターボチャージャ回転電機１１が回転数ＮA で発電
している場合の特性であり、図８（ロ）は、タービン発
電機１６が回転数ＮB で発電している場合の特性であ
る。
【００１７】因みに、図８（イ）で図示している場合に
ついて説明すれば、ターボチャージャ回転電機１１が回
転数ＮA にて回転し、電圧ＶA1で発電している時は、発
電電流はＩA1であり、発電電力はＰA1である。また、図
８（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ＮB にて回転し、電圧ＶB1で発
電している状態から、電圧ＶB2で発電している状態に変
えられると、電流はＩB1からＩB2に変化し、発電電力は
ＰB1からＰB2に変化する。
ついて説明すれば、ターボチャージャ回転電機１１が回
転数ＮA にて回転し、電圧ＶA1で発電している時は、発
電電流はＩA1であり、発電電力はＰA1である。また、図
８（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ＮB にて回転し、電圧ＶB1で発
電している状態から、電圧ＶB2で発電している状態に変
えられると、電流はＩB1からＩB2に変化し、発電電力は
ＰB1からＰB2に変化する。
【００１８】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。この性質を利用して、一方の発電機
に設けた電圧制御手段で、２つの発電機の負荷分担を調
節し、全体として見た場合、回収効率が最良となるよう
にする。
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。この性質を利用して、一方の発電機
に設けた電圧制御手段で、２つの発電機の負荷分担を調
節し、全体として見た場合、回収効率が最良となるよう
にする。
【００１９】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
することにより間接的に検出される）によって規定する
ことが出来るが、各運転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、ター
ボチャージャ回転電機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
験等により求めることが出来る。そうして求めた分担割
合をマップにしてまとめ、コントローラ２３に記憶させ
ておく。
担かということは、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
することにより間接的に検出される）によって規定する
ことが出来るが、各運転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、ター
ボチャージャ回転電機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
験等により求めることが出来る。そうして求めた分担割
合をマップにしてまとめ、コントローラ２３に記憶させ
ておく。
【００２０】図６は、そのような発電電力分担マップを
示す図である。横軸はエンジン回転数，縦軸はアクセル
開度である。このマップの領域イは、エンジン回転数が
Ｎ1〜Ｎ2 ，アクセル開度がＫ1 〜Ｋ2 の範囲にある領
域であるが、この領域での運転においては、ターボチャ
ージャ回転電機１１とタービン発電機１６の発電電力の
分担は、ＰA11 ：ＰB11 が最適であるということを表し
ている。
示す図である。横軸はエンジン回転数，縦軸はアクセル
開度である。このマップの領域イは、エンジン回転数が
Ｎ1〜Ｎ2 ，アクセル開度がＫ1 〜Ｋ2 の範囲にある領
域であるが、この領域での運転においては、ターボチャ
ージャ回転電機１１とタービン発電機１６の発電電力の
分担は、ＰA11 ：ＰB11 が最適であるということを表し
ている。
【００２１】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
開度とにより、エンジンの運転状況（図６のマップの領
域）が特定される。回転センサ１０で検出したターボチ
ャージャ回転電機１１の回転数により、図８（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８（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。
回転数と、アクセル開度センサ２４で検出するアクセル
開度とにより、エンジンの運転状況（図６のマップの領
域）が特定される。回転センサ１０で検出したターボチ
ャージャ回転電機１１の回転数により、図８（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８（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。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】前記した従来の排気エ
ネルギー回収装置では、発電電力の分担を調節するた
め、スイッチング制御部（図７の符号２１）という専用
回路を必要とするという問題点があった。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。
ネルギー回収装置では、発電電力の分担を調節するた
め、スイッチング制御部（図７の符号２１）という専用
回路を必要とするという問題点があった。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。
【００２３】
【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、エンジンのターボチャージャにターボ
チャージャ回転電機を設け、該ターボチャージャより排
気系下流位置にタービン発電機を設け、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、前記ターボチャ
ージャ回転電機の固定子に接続され、該ターボチャージ
ャ回転電機の発電運転時には昇圧チョッパとして動作さ
せられ、モータ運転時には直流を交流に変換するインバ
ータと、各発電機が分担している電力を検出する手段
と、全体としてのエネルギー回収効率が最良となるよう
にエンジンの運転状況毎に予め定められた発電電力分担
を実現するよう、前記インバータの昇圧チョッパ動作を
制御するコントローラとを具えることとした。
め、本発明では、エンジンのターボチャージャにターボ
チャージャ回転電機を設け、該ターボチャージャより排
気系下流位置にタービン発電機を設け、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、前記ターボチャ
ージャ回転電機の固定子に接続され、該ターボチャージ
ャ回転電機の発電運転時には昇圧チョッパとして動作さ
せられ、モータ運転時には直流を交流に変換するインバ
ータと、各発電機が分担している電力を検出する手段
と、全体としてのエネルギー回収効率が最良となるよう
にエンジンの運転状況毎に予め定められた発電電力分担
を実現するよう、前記インバータの昇圧チョッパ動作を
制御するコントローラとを具えることとした。
【００２４】（解決する動作の概要）エネルギー回収効
率が最良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、昇圧チョッパとして動作させているインバ
ータのデューティ比を変えて、ターボチャージャ回転電
機側からの出力電圧を制御する。即ち、ターボチャージ
ャ回転電機の分担を増加したい場合は該出力電圧を上昇
させるよう制御し、分担を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
ー回収効率を最良にすることが可能となる。
率が最良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、昇圧チョッパとして動作させているインバ
ータのデューティ比を変えて、ターボチャージャ回転電
機側からの出力電圧を制御する。即ち、ターボチャージ
ャ回転電機の分担を増加したい場合は該出力電圧を上昇
させるよう制御し、分担を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
ー回収効率を最良にすることが可能となる。
【００２５】ターボチャージャ回転電機に接続したイン
バータは、発電運転時には交流を直流に変換し、モータ
運転時には直流を交流に変換するために必要とされるも
のであるが、それを利用して電力分担の調節を行うよう
にしたので、従来のように電力分担調節用の専用回路を
必要とはしなくなる。
バータは、発電運転時には交流を直流に変換し、モータ
運転時には直流を交流に変換するために必要とされるも
のであるが、それを利用して電力分担の調節を行うよう
にしたので、従来のように電力分担調節用の専用回路を
必要とはしなくなる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
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。符号は図７のものに対応
し、２８は吸気圧センサ、２９はインバータ、３０，３
１は電流センサ、３２は平滑回路である。図７と同じ符
号のものは、同様のものであるので、その説明は省略す
る。ただ、本発明では、ターボチャージャ回転電機１１
をモータ運転することも考えているので、その発電電圧
は、タービン発電機１６の発電電圧やモータ２６の定格
電圧よりも低くなるように設計しておく。
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。符号は図７のものに対応
し、２８は吸気圧センサ、２９はインバータ、３０，３
１は電流センサ、３２は平滑回路である。図７と同じ符
号のものは、同様のものであるので、その説明は省略す
る。ただ、本発明では、ターボチャージャ回転電機１１
をモータ運転することも考えているので、その発電電圧
は、タービン発電機１６の発電電圧やモータ２６の定格
電圧よりも低くなるように設計しておく。
【００２７】構成上、図７の従来例と相違する主なる点
は、ターボチャージャ回転電機１１の固定子１３に、イ
ンバータ２９を接続した点である。インバータ２９の構
成は図２に示し、後で説明するが、本発明では、このイ
ンバータ２９を、ターボチャージャ回転電機１１をモー
タ運転する時には、直流側に印加される直流電圧を３相
交流電圧に変換する、いわゆる通常のインバータ動作を
させる。一方、ターボチャージャ回転電機１１を発電運
転する時には、単なる整流回路として動作させるのでは
なく、前記インバータ動作をするために具えているスイ
ッチング素子を利用し、昇圧電圧を可変する昇圧チョッ
パとして動作させる。
は、ターボチャージャ回転電機１１の固定子１３に、イ
ンバータ２９を接続した点である。インバータ２９の構
成は図２に示し、後で説明するが、本発明では、このイ
ンバータ２９を、ターボチャージャ回転電機１１をモー
タ運転する時には、直流側に印加される直流電圧を３相
交流電圧に変換する、いわゆる通常のインバータ動作を
させる。一方、ターボチャージャ回転電機１１を発電運
転する時には、単なる整流回路として動作させるのでは
なく、前記インバータ動作をするために具えているスイ
ッチング素子を利用し、昇圧電圧を可変する昇圧チョッ
パとして動作させる。
【００２８】インバータ２９の直流側の電圧ＶA および
整流回路２０の直流側の電圧ＶB は、検出されてコント
ローラ２３に送られる。同様に、電流センサ３０，３１
は、それぞれインバータ２９の直流側の電流ＩA および
整流回路２０の直流側の電流ＩB を検出し、コントロー
ラ２３に送る。これらの検出信号により、各発電機より
出力されている電力を算出することが出来る。
整流回路２０の直流側の電圧ＶB は、検出されてコント
ローラ２３に送られる。同様に、電流センサ３０，３１
は、それぞれインバータ２９の直流側の電流ＩA および
整流回路２０の直流側の電流ＩB を検出し、コントロー
ラ２３に送る。これらの検出信号により、各発電機より
出力されている電力を算出することが出来る。
【００２９】吸気圧センサ２８は、吸気マニホールド２
における吸気圧を検出する。ターボ作用により吸気圧が
所定値まで上昇して来ると、以前はウェストゲート弁を
開いて排気ガスをバイパスして大気へ逃がしていたが、
なるべく大気へ逃がさずに、そのエネルギーを回収する
ことが望ましい。そこで、吸気圧が所定値まで上昇した
段階で、ターボチャージャ回転電機１１の発電機運転を
開始させる。吸気圧センサ２８からの検出信号は、この
発電機運転開始決定のために利用される。
における吸気圧を検出する。ターボ作用により吸気圧が
所定値まで上昇して来ると、以前はウェストゲート弁を
開いて排気ガスをバイパスして大気へ逃がしていたが、
なるべく大気へ逃がさずに、そのエネルギーを回収する
ことが望ましい。そこで、吸気圧が所定値まで上昇した
段階で、ターボチャージャ回転電機１１の発電機運転を
開始させる。吸気圧センサ２８からの検出信号は、この
発電機運転開始決定のために利用される。
【００３０】発電電力分担の調節原理は図９に述べた通
りであるが、分担調節のための電圧の制御を、本発明で
はインバータ２９によって行う。即ち、ターボチャージ
ャ回転電機１１を発電運転する時にはインバータ２９を
昇圧チョッパとして使用し、そのデューティ比を制御す
ることにより、インバータ２９から出て来る直流出力電
圧を変え、発電電力の分担を調節する。次に、インバー
タ２９の動作について説明する。
りであるが、分担調節のための電圧の制御を、本発明で
はインバータ２９によって行う。即ち、ターボチャージ
ャ回転電機１１を発電運転する時にはインバータ２９を
昇圧チョッパとして使用し、そのデューティ比を制御す
ることにより、インバータ２９から出て来る直流出力電
圧を変え、発電電力の分担を調節する。次に、インバー
タ２９の動作について説明する。
【００３１】図２は、インバータ２９とターボチャージ
ャ回転電機１１の固定子巻線との接続関係を示す図であ
る。符号は図１のものに対応し、１３−１〜１３−３は
固定子１３の固定子巻線、２９−１，２９−２はスイッ
チング素子としてのトランジスタ、２９−３，２９−４
はダイオード、２９−５，２９−６は端子である。モー
タ運転時には、２９−１等のトランジスタが適宜オンオ
フされ、端子２９−５，２９−６に印加される直流電圧
を、３相の交流電圧に変換する。
ャ回転電機１１の固定子巻線との接続関係を示す図であ
る。符号は図１のものに対応し、１３−１〜１３−３は
固定子１３の固定子巻線、２９−１，２９−２はスイッ
チング素子としてのトランジスタ、２９−３，２９−４
はダイオード、２９−５，２９−６は端子である。モー
タ運転時には、２９−１等のトランジスタが適宜オンオ
フされ、端子２９−５，２９−６に印加される直流電圧
を、３相の交流電圧に変換する。
【００３２】発電運転時には、２９−３等のダイオード
によって単に整流だけして（トランジスタは全てオフ）
直流電圧とするのではなく、トランジスタとダイオード
とを利用して昇圧チョッパとして動作させる。即ち、イ
ンバータ２９を構成するスイッチングトランジスタのう
ち、発電電流を流し出す方向に接続してあるスイッチン
グトランジスタをオンオフして、チョッピングを行う。
例えば、固定子巻線１３−１の発電電圧に対しては、ト
ランジスタ２９−１はオフに保つが、発電電流を流し出
す方向に接続してあるトランジスタ２９−２をオンオフ
すると、オン時には電流Ｉ1 が流れ、オフ時にはダイオ
ード２９−３を通って電流Ｉ2 が流れる。
によって単に整流だけして（トランジスタは全てオフ）
直流電圧とするのではなく、トランジスタとダイオード
とを利用して昇圧チョッパとして動作させる。即ち、イ
ンバータ２９を構成するスイッチングトランジスタのう
ち、発電電流を流し出す方向に接続してあるスイッチン
グトランジスタをオンオフして、チョッピングを行う。
例えば、固定子巻線１３−１の発電電圧に対しては、ト
ランジスタ２９−１はオフに保つが、発電電流を流し出
す方向に接続してあるトランジスタ２９−２をオンオフ
すると、オン時には電流Ｉ1 が流れ、オフ時にはダイオ
ード２９−３を通って電流Ｉ2 が流れる。
【００３３】図３は、昇圧チョッパとして動作している
回路部分の１例を取り出した図である。符号は図２のも
のに対応し、２９−７，２９−８は端子、ＶINは入力電
圧，ＶOUT は出力電圧である。スイッチングトランジス
タを用いた公知の昇圧チョッパでは、入力側に電磁エネ
ルギーを蓄積するリアクトルが必要とされるが、本発明
では、電圧を発生する固定子巻線１３−１が、そのリア
クトルとして作用してくれる。トランジスタ２９−２を
オンした期間には、一点鎖線の矢印で示した経路で電流
Ｉ1 が流れる。オフした期間には、オンの期間に固定子
巻線１３−１に蓄積された電磁エネルギーにより、点線
の矢印で示した経路で電流Ｉ2 が流れる。
回路部分の１例を取り出した図である。符号は図２のも
のに対応し、２９−７，２９−８は端子、ＶINは入力電
圧，ＶOUT は出力電圧である。スイッチングトランジス
タを用いた公知の昇圧チョッパでは、入力側に電磁エネ
ルギーを蓄積するリアクトルが必要とされるが、本発明
では、電圧を発生する固定子巻線１３−１が、そのリア
クトルとして作用してくれる。トランジスタ２９−２を
オンした期間には、一点鎖線の矢印で示した経路で電流
Ｉ1 が流れる。オフした期間には、オンの期間に固定子
巻線１３−１に蓄積された電磁エネルギーにより、点線
の矢印で示した経路で電流Ｉ2 が流れる。
【００３４】図４は、図３の昇圧チョッパの電流等の波
形図である。図４（イ）はトランジスタ２９−２をオン
オフするスイッチング信号である。この信号のスイッチ
ング周波数は、固定子１３からの発電電圧の周波数より
も遙かに高い周波数（例、搬送周波数程度）とする。そ
うすると、スイッチング信号の１周期という短い時間内
における発電電圧の変化は極めて小さく、その間の入力
電圧ＶINは、殆ど直流電圧と同様に考えることが出来
る。図４（ロ），（ハ）は電流Ｉ1 ，Ｉ2 、図４（ニ）
は出力電圧ＶOUT の波形を示している。インバータ２９
から出た出力電圧ＶOUT は、図１の平滑回路３２で平滑
され、タービン発電機１６からの発電電圧を平滑回路２
２で平滑した直流電圧と共に、インバータ２５に送られ
る。
形図である。図４（イ）はトランジスタ２９−２をオン
オフするスイッチング信号である。この信号のスイッチ
ング周波数は、固定子１３からの発電電圧の周波数より
も遙かに高い周波数（例、搬送周波数程度）とする。そ
うすると、スイッチング信号の１周期という短い時間内
における発電電圧の変化は極めて小さく、その間の入力
電圧ＶINは、殆ど直流電圧と同様に考えることが出来
る。図４（ロ），（ハ）は電流Ｉ1 ，Ｉ2 、図４（ニ）
は出力電圧ＶOUT の波形を示している。インバータ２９
から出た出力電圧ＶOUT は、図１の平滑回路３２で平滑
され、タービン発電機１６からの発電電圧を平滑回路２
２で平滑した直流電圧と共に、インバータ２５に送られ
る。
【００３５】図５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…ターボチャージャ回転電機１１が、発電機
運転とされたかどうかを調べる。例えば、吸気圧センサ
２８で検出した吸気圧が、所定値に達した段階で発電機
運転が開始されるから、吸気圧検出信号によって調べる
ことも出来る。まだ、発電機運転となっていない場合に
は、今の状態での運転をそのまま継続する。 ステップ２…現在の運転状況において、排気エネルギー
回収装置全体としてのエネルギー回収効率が最良となる
発電電力分担を、図６の発電電力分担マップを参照して
調べる。このマップは、予めコントローラ２３に記憶さ
せておく。なお、現在の運転状況は、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により、知ることが出来
る。
ーチャートである。 ステップ１…ターボチャージャ回転電機１１が、発電機
運転とされたかどうかを調べる。例えば、吸気圧センサ
２８で検出した吸気圧が、所定値に達した段階で発電機
運転が開始されるから、吸気圧検出信号によって調べる
ことも出来る。まだ、発電機運転となっていない場合に
は、今の状態での運転をそのまま継続する。 ステップ２…現在の運転状況において、排気エネルギー
回収装置全体としてのエネルギー回収効率が最良となる
発電電力分担を、図６の発電電力分担マップを参照して
調べる。このマップは、予めコントローラ２３に記憶さ
せておく。なお、現在の運転状況は、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により、知ることが出来
る。
【００３６】ステップ３…そのマップに照らしてみて、
ターボチャージャ回転電機１１の電力分担が大かどうか
調べる。 ステップ４…大であれば、昇圧チョッパとして動作させ
ているインバータ２９のデューティ比を小（例、図２の
トランジスタ２９−２のオン期間を小）にする。する
と、昇圧電圧は低下され、図９で説明した原理によりタ
ーボチャージャ回転電機１１の電力分担は減少する。
ターボチャージャ回転電機１１の電力分担が大かどうか
調べる。 ステップ４…大であれば、昇圧チョッパとして動作させ
ているインバータ２９のデューティ比を小（例、図２の
トランジスタ２９−２のオン期間を小）にする。する
と、昇圧電圧は低下され、図９で説明した原理によりタ
ーボチャージャ回転電機１１の電力分担は減少する。
【００３７】ステップ５…前記マップに照らしてみて、
ターボチャージャ回転電機１１の電力分担が小かどうか
調べる。もし、マップと等しければ、運転をそのまま継
続する。 ステップ６…小であれば、昇圧チョッパとして動作させ
ているインバータ２９のデューティ比を大にする。する
と、昇圧電圧は上昇され、ターボチャージャ回転電機１
１の電力分担は増加する。
ターボチャージャ回転電機１１の電力分担が小かどうか
調べる。もし、マップと等しければ、運転をそのまま継
続する。 ステップ６…小であれば、昇圧チョッパとして動作させ
ているインバータ２９のデューティ比を大にする。する
と、昇圧電圧は上昇され、ターボチャージャ回転電機１
１の電力分担は増加する。
【００３８】なお、ターボチャージャ回転電機１１がモ
ータ運転されるのは、ターボ作用が不足気味である時期
（例、発進時，加速時）であるが、その電源としては、
タービン発電機１６の他、モータ２６を用いることも出
来る。もっとも、その場合には、モータ２６はエンジン
のクランク軸によって駆動される発電機として、運転さ
せておく必要がある。
ータ運転されるのは、ターボ作用が不足気味である時期
（例、発進時，加速時）であるが、その電源としては、
タービン発電機１６の他、モータ２６を用いることも出
来る。もっとも、その場合には、モータ２６はエンジン
のクランク軸によって駆動される発電機として、運転さ
せておく必要がある。
【００３９】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明によれば、エン
ジンの排気系統にターボチャージャ回転電機とタービン
発電機とを設け、ターボチャージャ回転電機に対してイ
ンバータを接続する。そして、ターボチャージャ回転電
機を発電運転する時には、このインバータを昇圧チョッ
パとして動作させて電力分担の調節を行うようにしたの
で、従来のように電力分担調節用の専用回路を必要とし
なくなる。
ジンの排気系統にターボチャージャ回転電機とタービン
発電機とを設け、ターボチャージャ回転電機に対してイ
ンバータを接続する。そして、ターボチャージャ回転電
機を発電運転する時には、このインバータを昇圧チョッ
パとして動作させて電力分担の調節を行うようにしたの
で、従来のように電力分担調節用の専用回路を必要とし
なくなる。
【図１】 本発明の排気エネルギー回収装置を示す図
【図２】 インバータとターボチャージャ回転電機の固
定子巻線との接続関係を示す図
定子巻線との接続関係を示す図
【図３】 昇圧チョッパとして動作している回路部分を
取り出した図
取り出した図
【図４】 図３の昇圧チョッパの電流等の波形図
【図５】 本発明の制御動作を説明するフローチャート
【図６】 発電電力分担マップを示す図
【図７】 従来の排気エネルギー回収装置を示す図
【図８】 回転電機および発電機の発電特性を示す図
【図９】 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
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…ターボチャージャ回転電機、１２…回転子、
１３…固定子、１４…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、２
７…クランク軸、２８…吸気圧センサ、２９…インバー
タ、２９−１，２９−２…トランジスタ、２９−３，２
９−４…ダイオード、２９−５〜２９−８…端子、３
０，３１…電流センサ、３２…平滑回路
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…ターボチャージャ回転電機、１２…回転子、
１３…固定子、１４…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、２
７…クランク軸、２８…吸気圧センサ、２９…インバー
タ、２９−１，２９−２…トランジスタ、２９−３，２
９−４…ダイオード、２９−５〜２９−８…端子、３
０，３１…電流センサ、３２…平滑回路
Claims (1)
- 【請求項１】 エンジンのターボチャージャにターボチ
ャージャ回転電機を設け、該ターボチャージャより排気
系下流位置にタービン発電機を設け、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、前記ターボチャー
ジャ回転電機の固定子に接続され、該ターボチャージャ
回転電機の発電運転時には昇圧チョッパとして動作させ
られ、モータ運転時には直流を交流に変換するインバー
タと、各発電機が分担している電力を検出する手段と、
全体としてのエネルギー回収効率が最良となるようにエ
ンジンの運転状況毎に予め定められた発電電力分担を実
現するよう、前記インバータの昇圧チョッパ動作を制御
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7209207A JPH0932567A (ja) | 1995-07-24 | 1995-07-24 | 排気エネルギー回収装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7209207A JPH0932567A (ja) | 1995-07-24 | 1995-07-24 | 排気エネルギー回収装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0932567A true JPH0932567A (ja) | 1997-02-04 |
Family
ID=16569135
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7209207A Pending JPH0932567A (ja) | 1995-07-24 | 1995-07-24 | 排気エネルギー回収装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0932567A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100263640A1 (en) * | 2007-11-12 | 2010-10-21 | Paul Armiroli | Power supply for onboard equipment of an automobile |
| WO2012005046A1 (ja) * | 2010-07-08 | 2012-01-12 | 株式会社Ihi | 排熱回収装置 |
| JP2013090378A (ja) * | 2011-10-14 | 2013-05-13 | Ihi Corp | 排熱回収装置 |
| US20190257234A1 (en) * | 2016-11-07 | 2019-08-22 | Ihi Corporation | Exhaust gas energy recovery device |
| JP2019203476A (ja) * | 2018-05-25 | 2019-11-28 | 三菱重工業株式会社 | 過給システム |
-
1995
- 1995-07-24 JP JP7209207A patent/JPH0932567A/ja active Pending
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2011504080A (ja) * | 2007-11-12 | 2011-01-27 | ヴァレオ エキプマン エレクトリク モトゥール | 自動車に搭載された機器のための電源装置 |
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| JP2012017685A (ja) * | 2010-07-08 | 2012-01-26 | Ihi Corp | 排熱回収装置 |
| WO2012005046A1 (ja) * | 2010-07-08 | 2012-01-12 | 株式会社Ihi | 排熱回収装置 |
| US9109503B2 (en) | 2010-07-08 | 2015-08-18 | Ihi Corporation | Waste heat recovery device |
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| JP2013090378A (ja) * | 2011-10-14 | 2013-05-13 | Ihi Corp | 排熱回収装置 |
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| US10865687B2 (en) * | 2016-11-07 | 2020-12-15 | Ihi Corporation | Exhaust gas energy recovery device |
| JP2019203476A (ja) * | 2018-05-25 | 2019-11-28 | 三菱重工業株式会社 | 過給システム |
| US11220954B2 (en) | 2018-05-25 | 2022-01-11 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Supercharging system with a model analysis unit |
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