JPS62203916A - 内燃機関の排気ガスエネルギ回収装置 - 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） 未発明は、内燃機関から排気ガスとして大気中に排出さ
れる排気ガスエネルギを電気に変換して回収する内燃機
関の排気ガスエネルギ回収装置に関する。

（従来の技術） 従来、内燃機関の排気ガスエネルギ回収装着としては、
例えば、特開昭６０−１３５６１８号公報に記載されて
いるような装置が知られている。

この従来装置Ｂは、第２図に示すように、内燃機関１０
０の排ガスでターボチャージャー１０１を回転させ前記
内燃機関１００の出力を増大させるようにした内燃機関
補助発電装置において、前記ターボチャージャー１０１
の排ガスで回転する回収タービン１０２と、該回収ター
ビン１０２の軸動力で減速機１０３を介して駆動される
補助誘導発電機１０４を備え、該誘導発電機１０４の出
力電源側に可変電圧可変周波数インバータ１０５を接続
すると共に、該インバータ１０５の出力電源側を主発電
機１０６の出カケープル１０７側に接続し、前記インバ
ータ１０５の電源回生モードを利用して前記誘導発電機
１０４゛の出力が定格以内でかつ回収動力に適合するよ
う前記インバータ１０５を制御することにより前記主発
電機１０６′の出力を増加させるようにしたことを特徴
とするものであった。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来装置にあっては、内燃機
関の排気系に、ターボチャージャーと回収タービンとが
設けられることになるため、これらのタービン類が排気
系の排気抵抗を増大させてしまい、排気抵抗による排気
圧力の上昇に伴なって内燃機関の機関出力損失が発生し
、全体的なエネルギ勘定を行なうと、回収タービンによ
り電気として回収される排気ガスエネルギから排気圧力
による機関出力損失を差し引いた分だけが有効回収排気
ガスエネルギとなり、具体的な設計等により異なるが、
実用化されていないことからも明らかなように、最良の
設計をしたとしても非常にわずかのエネルギが回収され
るにすぎないという問題点があった。

つまり、排気圧力が上昇すると、内燃機関の排気行程で
燃焼室内に残留する残留燃焼ガスのガス′８：度が高ま
り、そのためにシリンダ内に多くの燃焼ガスが残留する
ことになり、排気行程に引き続いて行なわれる吸気行程
での混合気の吸入量が残留燃料ガス分だけ減量されて機
関出力損失となる。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上述のような問題点を解決すること、すなわ
ち、排気圧力による機関出力損失を抑えながらエンジン
供給エネルギの３０％前後にも達する排気ガスエネルギ
を有効に電気エネルギとして回収することを目的として
なされたもので、この目的達成のために本発明では、内
燃機関の排気系に設けられる排気ガスタービンと、該排
気ガスタービンの回転軸に連結される発電機とを備えた
内燃機関の排気ガスエネルギ回収装置において、前記排
気ガスタービンの下流位置に、冷却媒体を導くことで排
気ガスを冷却させる排気ガス冷却器を設けたことを特徴
とする手段とした。

（作　用） 従って、本発明の内燃機関の排気ガスエネルギ回収装置
にあっては、上述のような手段としたことで、、排気系
への排気ガスタービンの設置による排気抵抗の増大にか
かわらず、排気ガスは排気系に設けた排気ガス冷却器に
よりその温度が降下し、温度降下による排気ガスの体積
縮小で排気圧力の上昇が抑えられることになる。

このように、排気圧力の上昇が抑制されることで、排気
ガスタービン付加による機関出力損失が減少し、排気ガ
スタービンの回転により得られる発電機での発電量がほ
ぼ有効回収排気ガスエネルギとなり、排気ガスエネルギ
からのエネルギ回収率を高めることができる。

また、排気ガス冷却器より下流の排気系を流通する排気
ガスの流速が小さくなることで、排気音を低減させるこ
とができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面により詳述する。

尚、この実施例を述べるにあたって、自動車用エンジン
の排気ガスエネルギ回収装置を例にとる。

まず、実施例の構成を説明する。

実施例の排気ガスエネルギ回収装置Ａは、第１図に示す
ように、エンジン（内燃機関）１．排気マニホールド２
、マニホールドコンバータ３、タービン入口側排気管４
、タービン出口側排気管５、バイパス排気管６、主排気
管７、排気ガスタービン８、オルタネータ（発電機）９
、レギュレータ１０、バッテリー１１、圧力センサ１２
、アクチュエータ作動回路１３、バルブアクチュエータ
１４、バイパスバルブ１５、排気ガスクーラ（排気ガス
冷却器）１６、ニアブロア１７、冷風管１８、負荷１９
，２０．２１を備えている。

前記エンジン１の排気系は、排気で二ホールド２、マニ
ホールドコンバータ３、タービン入口側排気管４、ター
ビン出口側排気管５、バイパス排気管６、主排気管７を
含んで構成され、前記タービン入口側排気管４とタービ
ン出口側排気管５との間には、排気ガスタービン８が設
けられ、前記バイパス排気管６には、バイパスバルブ１
５が設けられ、前記タービン出口側排気管５及びバイパ
ス排気管６と主排気管７との間には、排気ガスクーラ１
６が設けられている。

前記排気ガスタービン８は、タービン入口側排気管４か
らの排気ガスエネルギを受けて回転する排気エネルギ取
出手段で、この排気ガスタービン８のタービンシャツ）
３０には交流発電機であるオルタネータ９が同軸上に設
けられている。

尚、前記オルタネータ９の端子は、レギュレータ１０の
入力側端子と導電ラインにより接続され、レギュレータ
１０の出力側端子はバッテリ一端子及び負荷１９，２０
．２１の端子に接続され、オルタネータ９からの交流電
気は、レギュレータ１０により直流電気に変換され、バ
ッテリー１１の充電用電気や負荷１９，２０．２１等を
作動させる電気として使われる。

また、負荷１９，２０．２１の例としては、図示してい
るラジェータ３１の冷却ファン用モータ３２等があり、
他に、エアコン用コンプレッサやウォー・タポンプやゼ
ネレータ等のエンジン補機類がある。

前記バイパスバルブ１５は、前記排気ガスタービン８を
経過させることなく、タービン入口側排気管４からター
ビン出口側排気管５へと直接排気ガスを経過させるバイ
パス排気管６の途中に設けられた制御バルブで、このバ
イパスバルブ１５のバルブ開度制御は、圧力センサ１２
から入力される圧力信号（ｐ）に基づいて、アクチュエ
ータ作動回路１３からは、バイパス排気ガス流量の制御
でタービン入口圧を設定圧に保つようにバルブアクチュ
エータ１４に対して作動制御信号（Ｃ）が出力され１作
動制御値号（Ｃ）によるバルブアクチュエータ１４の作
動でバルブ開度の制御がなされる。

尚、前記設定圧は高タービン動力性能が得られる圧力に
設定されている。また、圧力センサ１ｚからの圧力信号
（ｐ）は、間欠的に排出される排気ガス特性により信号
変化が大きいため、アクチュエータ作動回路１３には圧
力信号（ｐ）の信号変化を平滑化する信号平滑回路（抵
抗等による）が組み込まれている。さらに、前記設定圧
はタービン回転数が一定になるよう設定される場合もあ
り得る。

前記排気ガスクーラ１６は、前記排気ガスタービン８の
下流位置で、マフラ等が設けられる主排気管７の上流位
置に配置される直交型のガス冷却器で、この排気ガスク
ーラ１６の冷却媒体となる冷風は、ニアブロア１７及び
冷風管１８から供給される。

前記ニアブロア１７は、前記排気ガスターヒン８のター
ビンシャフト３０に同軸配置で設けられ、駆動力をター
ビンシャフト３０から得るようにしている。

次に、実施例の作用を説明する。

（イ）排気ガスエネルギ回収作用 １％ガスエネルギは、エンジンｌからの排気ガス力、排
気マニホールド２→マニホールドコンバータ３→タービ
ン入口側排気管４を経過して排気ガスタービン８に送り
込まれ、排気ガスがもつ主として動圧エネルギによる排
気ガスエネルギを排気ガスタービン８の回転力として取
り出し、この回転力でオルタネータ９を駆動させ、電気
エネルギとして回収される。

尚、この排気ガスエネルギ回収作用では、バイパスバル
ブ１５のバルブ開度制御で、排気タービン８に送り込ま
れる排気ガスの圧力が設定圧を保つため、排気ガスがこ
の設定圧以上になったら排気ガスタービン８の動力性能
が安定し、オルタネータ９で得られる電気エネルギも安
定する。

（ロ）排気ガスの圧力上昇抑制作用 排気ガスタービン８の回転に伴なってニアブロア１７が
駆動され、冷風管１８から排気ガスクーラ１６に対して
冷風が供給されることで、熱交換作用で排気ガスの温度
が降下する。

そして、排気ガスの温度降下により、排気ガスの体積が
縮小し、体積縮小に伴なって排気ガスクーラ１６の下流
側排気系である主排気管７内を流れる排気ガスの流速が
落ち、排気抵抗であるマフラ等を経過する時の下流側排
気圧力が低下し、この排気圧力低下量が、排気ガスター
ビン８の付加による排気圧力上昇量をほぼ相殺させるこ
とになり、排気系全体としては排気圧力の上昇が抑えら
れる。

以上説明してきたように、実施例の排気ガスエネルギ回
収装置Ａにあっては、排気ガスクーラ１６により排気圧
力の上昇が抑制されることで、排気ガスタービン８の付
加による機関出力損失がほとんどなくなり、前述の排気
ガスエネルギ回収作用に基づいて得られる発電量がほぼ
有効回収排気ガスエネルギとなり、高エネルギ回収率に
より排気ガスエネルギの回収ができる。

そして、この排気ガスエネルギを電気エネルギとして回
収し、従来エンジン駆動されていた補機類の電源として
利用することで、補機類によるエンジン負荷を軽減もし
くは無くしてしまい、エンジン出力をそのまま車両の走
行駆動出力として用いることも可能である。

また、排気ガスクーラ１６により、排気ガスクーラ１６
より下流の排気系を流通する排気ガスの流速が小さくな
るため、排気音を低減させることができる。

また、実施例では、バイパスバルブ１５を設け、排気ガ
スタービン８の入口側排気ガスの圧力を設定圧に保つよ
うにしたため、安定した高効率の交流電気を作り出すこ
とができる。

さらに、実施例では、ニアブロア１７を排気ガスタービ
ン８のタービンシャフト３０に設けたため、例えば、電
気モータでニアブロア１７を駆動させるのに比較して、
エネルギロスを少なくしてニアブロア１７を駆動させる
ことができる。

以上、本発明の実施例を図面により詳述してきたが、具
体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、本発
明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があって
も本発明に含まれる。

例えば、実施例では、排気ガス冷却器としてニアブロア
からの冷風による冷却器を示したが、モータ駆動のブロ
アやファン、さらには、車両に搭載されている冷房装置
等を利用した冷風や冷媒等を導いて冷却するものであっ
てもよい。

また、実施例では、バイパスバルブを電気信号により作
動させる例を示したが、スプリングをバルブ閉鎖方向に
付勢したり、吸気マニホールド圧を利用したりする手段
であってもよい。

（発明の効果） 以上説明してきたように、本発明の内燃機関の排気ガス
エネルギ回収装置にあっては、排気ガスタービンの下流
位置に、冷却媒体を導くことで排気ガスを冷却させる排
気ガス冷却器を設けたため、排気ガスタービンの付加に
よる機関出力損失を抑えながら、排気ガスエネルギから
高エネルギ回収率で電気エネルギの形でエネルギ回収を
行なうことができるという効果が得られる。

また、排気ガス冷却器を設けたため、この排気ガス冷却
器を通過する排気ガスの流速が小さくなり、排気音を低
減させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の自動車用エンジンの排気ガスエ
ネルギ回収装置を示す全体図、第２図は従来の排気ガス
エネルギ回収装置を示す図である。 １・・・エンジン（内燃機関） ８・・・排気ガスタービン ９・・・オルタネータ（発電機） １６・・・排気ガスクーラ（排気ガス冷却器）第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）内燃機関の排気系に設けられる排気ガスタービン
   と、該排気ガスタービンの回転軸に連結される発電機と
   を備えた内燃機関の排気ガスエネルギ回収装置において
   、 前記排気ガスタービンの下流位置に、冷却媒体を導くこ
   とで排気ガスを冷却させる排気ガス冷却器を設けたこと
   を特徴とする内燃機関の排気ガスエネルギ回収装置。