JPS59141714A - エンジンのエネルギ−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】 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プイーゼルエンジン
は、燃料をシリンダ内で燃焼させて発生するエネルギー
によっ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、今た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、シリシダライナー、シリンダヘッド断熱板、
排気パルプ、ピストンなどに耐熱セラミックスを使用し
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って、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って、らまり有効汝ものでは
なかった。

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。

この既出願に係るエネルギー回収装置は、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ってエンジンの出力
軸を駆動すると、かえってエンジン効率を減少したり、
エンジンブレーキの効きを減少させてし壕うという欠点
が生じていた。

従って、本発明の目的は、排気エネルギーの回収を可能
とすると共にブレーキ時のエネルギーも回収しうろこと
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
Ｋ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
、シリンダヘッド断熱板、排気バルブ、ピストンなどに
セラばツクスを使用した断熱式のものである。２＃′ｉ
排気マニホールドであり、外壁はセラミックスで構成さ
れて、断熱構造となっている。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。５ａはター
ヒン渦室であり、内部にタービンフレード３ｂが回転可
能に１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／Ｉ′ｉ、回転子が永久磁石で構成
され、固定側に電機子巻線を１設した２ｗ１交流発電１
機である。この交流発電機４は、排気タービン５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層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。着た、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２００
ｖ程度、周波数的！Ｌ５　ＫＨｚ程度の交流電圧を発生
する。５はサイリスタ・ブリッ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、１５　ＫＨｚ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けコンバータ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°け直流電動機であり、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
転数にで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
＠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
機となって直流電圧を発生するが、ゲート制御回路６＃
−１コンバータ５を１直流電動機７カ行」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
も止弁し、遂に直流電動機７を駆動するようになる。そ
して、直流電動機７Ｆｉ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
エネルギーが回収きれてエンジン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
負荷条件のもとて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、特にブレーキ状態
でも交流発電機４の出力電圧で直流電動機７を駆動して
エンジン１を出力増加方向に駆動するため、ブレーキの
効身やエンジンブレーキの効果を減少せしめ、かえって
排気エネルギーの回収が悪影響をもたらすことになる。

そこで、本発明では、ブレーキ状法では直流電動機７の
駆動を中止１かもブレーキ時のエネルギーを回収する様
にしたものである。

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１０ａを有するもの、１１は
吸気用コンプレッサーであり、排気タービン３のタービ
ンｍ５ｃに直結され、タービン軸５ｃ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ＳＣに連結され、タービン軸５ｃとともに回転する
もの、１３は第２の発電兼電動機であり、ギヤ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ＷＪｌ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１３へ出力するとともに第２の発電兼電動機１３がら
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はバッ
テリーである。１１３Ｆｉスイツチであり、第１の発電
、無電動機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１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
転速度計であシ、エンジン１０回転軸１ａの回転数ＲＥ
を計測するもの、２１はタービン５のタービン軸３Ｃの
回転数ＲＴｉ計測するもの、２２ｉｊ制御回路であり、
マイクロコンビ二一タ等で構成され、前述の流量計１９
からの突気ｆＱ、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及びスイッチ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。

先づ、エンジンの通常運転時、即ち制御装置。

２２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Ｌ’Ｄとにより低速でなく、
高負荷で々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、スイッチ１８
を閉とし、第１゛の発電兼電動機１２を発電機尾、第２
の発電兼電動機１５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１２０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１５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２２Ｆｉ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
る様圧制御する。

一方、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、スイッチ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、従って発電兼電動機１５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１発電機として用いる。このため、制御装置２
２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１５が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１
４の出力は、スイッチ１８が開放されているので、トラ
ンス１５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、バッテリー１７を充電する。これに
より、ブレーキ時にもエネルギーの回収が可能となる。

この場合スイッチ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、吸気コンプレッサー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。

更に、制御装置２２がブレーキ状態信号ＢＲがらブレー
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１５を発電機として用いてエンジン１の出力を
１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、吸気コンプレッサー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出来、トルク向上を得られる
。従って、制御装［２２はスイッチ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［２、第１の発電兼電動機１２を駆動するこ
とによって吸気コンプレッサー１１を駆動して、吸気マ
ニホールド１０に流入する突気圧を篇める。これによっ
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
。

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１３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、バッテリー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１
４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、バッ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がらバッテリー１７へ流れる
エネルギー）とバッテリー１７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、第１の発電兼電動機１２により説明し
たが、これを発電機としてもよい。又、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１５に接続してもよい。史
に、３相交流機の場合について欣明したがｎ相交流でも
よく、直流機によってもよく、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発電機の発電出力を
エンジンの回転軸に設けられた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、ブレーキ状態時には発電機と発電兼電動機の
接続を解除し、発電兼電動機を発電機として利用し、そ
の発生エネルギーをバッテリーに回収しているので、ブ
レーキ状態時には、排気エネルギーによってエンジン駆
動用の発電兼電動機が駆動されることがなく、エンジン
の出力増強を防止して、ブレーキ及びエンジンブレーキ
の′効果を減少させることがないという効果を奏する他
に発電兼電動機が負荷となり一層ブレーキ効果を向上さ
せるという効果も奏し、しかもこの間発電兼電動機が発
電機として働いて、そのエネルギーをバッテリーに回収
しているので、ブレーキ状態でもエネルギーの回収が可
能となるという効果も奏する。

面、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ｏＴ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・・
・吸気コンプレッサー、１２・・・第１の発電兼電動機
。 １３・・・第２の発電兼電動機、１７・・・バッテリー
、１８・・・スイッチ、２２・・・制御回路。 特許　出願人　いすソ自動車株式会社 代理人　弁理士　辻　　　　　實 外１名

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内部で発生する熱の放熱を抑制し、排気タービンを備え
   たエンジンの前記排気タービンのタービン軸に発電機の
   回転軸を直結するとともに前記エンジンの回転軸に発電
   兼電動機の回転軸を結合し、該発電機から発生する電気
   エネルギーを該発電兼電動機に与えてこれを電動機とし
   て駆動し、該発電機の出力をエンジンの出力軸に帰還せ
   しめるとともにブレーキ状態時には、該発電機と該発電
   兼電動機の接続を解除せしめ、該発電兼電動機から発生
   する電気エネルギーをバッテリーに回収することを特徴
   とするエンジンのエネルギー回収装置。