JPS6293430A

JPS6293430A - タ−ボコンパウンドエンジン

Info

Publication number: JPS6293430A
Application number: JP60233936A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kawamura; 英男河村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1985-10-19
Filing date: 1985-10-19
Publication date: 1987-04-28
Anticipated expiration: 2009-06-22
Also published as: JPH0647936B2

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）本発明は内燃機関の排気エネルギーを回生させることの
可能なターボコンパウンドエンジンに関するものである
。

（従来の技術）近年、内燃機関の各部、例えば燃焼室や排気管などの部
分にセラミッ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、内部に発生し
た熱を放熱して内燃機関を冷却する必要がなく、発生し
た高温度の排気ガスの持つエネルギーを回生させて内燃
機関の出力向」二に利用できる。

排気エネルギーの回生方法としては従来から排気ガスに
より回転されるタービンの回転力を、多段の歯車機構に
より減速してクランク軸に帰還させるものが知られてい
る。

また、特開昭５８−２１４６１５号公報にて、排気ター
ビンの軸に交流発電機の回転軸を直結し、エンジンの軸
には直流電動機の回転軸な結合して、交流発電機にて発
生する電気工−ネルギーにより直流電動機を駆動して、
エンジン出力とするエンジンの排気エネルキー回収装置
の提案がなされている。

（発明が解決しようとする問題点）このような電気エネルギーの回生方法において、前者の
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、南中の伝達効率を考慮すると、例えば通常−・段で
その効率は０　、９〜０．９５であるので、三段の減速
では約８０％に効イｌが低トし、また、歯車機構が複雑
になるので、そのコストも高くなる欠点を生ずる。

つぎに後者の損気エネルギー回収装置の提案では、排気
タービンのタービン軸に交流発電機を直結し、エンジン
の回転軸にはｌｌ′Ｉ流電動機を結合して、交流発電機
よりの電気エネルギーにて直流電動機を回転させてエン
ジンの出力軸に帰還するので、排気エネルギーの回収は
行われるが、直流′電動機の制御が１・分に行われない
問題点が生ずる。

本発明は、これらの従来の問題へに鑑みでなされたもの
であり、その［１的は活気エネルギ・−を排気タービン
に直結りまた交流発電機により″電気エネルギーに変換
し２、該゛ｉＬ気エネルに−をクランク軸の回転数に対
応させて制御１７で、遊星歯車機構を介してクランイア
輛と結合した電動機を駆動り、４月毎］−ネルギーの回
生を１−するターポニ１ンパウンドエジンを提供するに
ある。

（問題点を解決するための１４段）本発明によれば、燃焼室、搏気管に断熱構造を備えた内
燃機関の排気管内に発電機を有１−る排気タービンと、
該内燃機関の回転軸に歯車機構番、゛より結合された′
電動機とを設けるとともに、前記内燃機関の回転数を検
出［る検出り段を１没は、該検出子１１・力臼ろの検出
信１：により前記発電機の出力を制御１．て、前記電動
機を駆動するターボコンパウンドエンジンが提供ｙれる
。

また、本発明によれば、前記歯車機構を刀ンギャ、遊星
ギヤ、内ギヤよりなる遊Ｊｌ！、歯東機構となし、前記
サンギヤと遊にギヤとを固定する１段を設けたターボコ
ンパウンドエンジンと、前記電動機を発電機として作動
させる手段を設け、該発電機よりの出力にてバッテリを
充電させるターボコンパウンドエンジンも提供される。

（作用）排気ガスの１ネルギーによって駆動される排気タービン
に設けた発電機の出力は、内燃機関のフライホイールの
回転数を検出する回転数によって制御され、フライホイ
ールを回転させる電動機を駆動し、常にフライホイール
の回転数に対応１７てその回転力を助勢するので、１勇
気エネルギーが効率よく回生されて、内燃機関の出力を
向ｌ−させる。

また、前記電動機がフライホイールの回転を助勢する伝
達機構と１．て、複数の減速比を有する遊星歯車機構を
用いたので、電動機の出力性＋１１を効率よくフライホ
イールに伝達することができる。

さらに、前記電動機の界磁巻線を切換えて発電機として
作動ｉｉ１能に構成したので、−Ｌアジンブレーキ時に
はブレーキ力を電気１ネルギ〜どり、て回収でき、ぞの
エネルギーにてバラｊりの充電がｌ＋ｆ能である。

（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ｌこ説
明する。

第１図は本発明に係るターボコ゛／バウ゛・・ドエンジ
ンの・実施例を示す構成説明図であり、第２図は本実施
例に使用の遊星歯−ｊｐ機構の−・例を示す構成説明図
である。

第１図において、■は断熱・構造を備えた内燃機関であ
り、図示していないがピストン、シリンダライナなどの
燃焼室と、排気ボートがセーｊミックスを用いた断熱構
造を形成し、排気マニホールド２にｊ」交流発電機Ａ４
を看するターボチャージャ３が取イ・ｌけられている。

ターボチャージャ３の回転軸には、タービンプレーＦ’
３ａと、交流発電機Ａ４の「Ｉ−夕４ａと、コンブＬ／
　ツｑブレー　ド３ｂとが同軸上に直結して設けられて
いる。そして、排気マニホールド２からのｔＪｌ気ガス
によりタービ／ブ１／〜ド３ａが駆仙されると、コンプ
レンサブレード３ｂは吸気管１ａに過給気を圧送すると
ともにロータ４ａが駆動される。ロータ４ａは強力な残
留磁気を持つ永久磁石よりなり、対向するステータ４ｂ
に電磁誘導によって交流電力を発生し、該交流電力は整
流器４Ｃにて整ｌｉｔ　３れてインバータ５に送出され
る。

一方、ターボチャージャ３の損気口３Ｃにはタービンブ
レード６ａを有するｔＪｌ気タービン６が接続され、タ
ービンブレード６ａと同軸上に交流発電機Ｂ７のロータ
７ａが設けられている。そして、ターボチャージャ３の
損気口３Ｃからの残留エネルギーを持つ磁気ガスによっ
て、タービンブレード６ａが駆動されると、永久磁石を
有するロータ７ａの回転により対応して設けられたステ
ータ７ｂの巻線に交流電力が誘起され、接続されている
整流器７Ｃに入力されて直流となり、この直流電力はイ
ンへ−夕５に送電される。

内燃機関１のフライホイールＩＣの外周には大ギヤ１ｄ
が設けられ、該大ギヤｌｄは後述する遊星歯車機構８の
外部となる内ギヤ８ａと同軸に設けられた小ギヤ８ｂと
噛合する。

第２図に示す遊星歯車機構８は軸心となる誘導電動機９
のロータ軸９ａにサンギヤ８ｃが設けられ、該サンギヤ
８ｃを囲んで噛合する複数個の遊星ギヤ８ｄがケージ８
ｅに取付けられ、さらに、内ギヤ８ａとも噛合するよう
に構成されている。

また、遊星ギヤ８ｄのシャツ）８ｆにはサンギヤ８ｃと
遊星ギヤ８ｄとを固定する手段となる磁性体よりなるク
ラッチシュー８ｇが取付けられ、ロータ軸９ａに設けた
電磁コイル９ｂに通電されると、クラッチシュー８ｇは
吸引され、ケージ８ｅがロータ軸９ａに対して回動しな
いので、遊星歯車機構８の外周に設けた小ギヤ８ｂはロ
ータ軸９ａと同一の回転を行なうことになる。したがっ
て、電磁コイル９ｂに通電のないときは、遊星歯車機構
８による所定の比率にてロータ軸９ａの回転数が減速さ
れて小ギヤ８ｂの歯車軸を回転し、さらに、小ギヤ８ｂ
と大ギヤｌｄの歯車比により、フライホイール１ｃを回
転するが、電磁コイル９ｂに通電されると、ケージ８ｅ
が固定されるので、小ギヤ８ｂと大ギヤｌｄの歯車比の
みの減速比にてロータ軸９ａはフライホイールｌｃを回
転することになる。

第１図において、１０はフライホイールｌｃの回転数検
出手段となる回転センサであり、検出信号をインバータ
５に送出する。この検出信号を受信したインバータ５は
、直流に整流された交流発電機Ａ４および交流発電機Ｂ
７の電力を、検出信号に対応する周波数の交流電力に制
御して、誘導電動機９に送電する。そして、フライホイ
ールＩＣの回転が遅いときは、検出信号により制御され
る交流の周波数が低いので、誘導電動機９の回転も遅い
ながら前記の歯車機構８を介してフライホイール１ｃの
回転力を助勢する。また、フライホイールｌｃが高回転
のときは、インバータ５の交流出力の周波数が高くなる
ように検出信号により制御されて誘導電動機９を駆動し
、歯−１ξ機構を介して高回転のフライホイールＩＣの
回転力を助勢するように、フライホイールｌｃの回転の
高低に対応して、つねにその回転力を増強するように誘
導電動機９によって助勢される。

つぎに、１２はレギュレータ、１３は整流器、１４はバ
ッテリであり、車両の運転状況により内燃機関ｌがエン
ジンブレーキ作動のときに、図示していないが、クラッ
チペダル、アクセルペダルおよび車速を検出するそれぞ
れのセンサからの入力信号により、コントローラ１１が
作動して誘導電動機９の界磁巻線を切換えて、誘導発電
機として作動させ、レギュレータ１２に発電した交流電
力を送るように構成されている。そして、この交流電力
を整流器１３に入力して直流となし、バッテリ１４を充
電する。

また、１５はインバータであり、内燃機関１の始動時に
回転センサ１０の検出信号により、バッテリ１４からの
直流を制御して所定周波数の交流電力となし、誘導電動
機９に供給して前記歯車機構を介して内燃機関ｌを駆動
するものである。

つぎに、このように構成された本実施例の作動を説明す
る。

断熱構造を持った内燃機関１からの高温の排気ガスは排
気マニホールド２を通じてターボチャージャ３に導かれ
、タービンブレード３ａを駆動してコンプレッサブレー
ド３ｂと、交流発電機Ａ４のロータ４ａを回転させる。

このため、吸気管１ａには過給気が圧送され、ステータ
４ｂよりの交流電力は整流器４Ｃにて整流されて直流と
なりインバータ５に送電される。

一方、タービンプレー１・３ａを駆動して電気［１３ｃ
かも排出される残留エネルギーを１，１つだＪＪｔ気ガ
スは、排気タービン６に導かれてタービンブレード６ａ
を駆動する。そして、交流発電機Ｂ７のロータ７ａを回
転させ、ステータ７ｂが、ｉへ起した交流電力を整流器
７Ｃに導き、直流に変換１．てインバータ５に送電し、
前記の整流器４Ｃからの直流とともに、インバータ５に
よって所定の方法で電力が加え合わせられる。

インバータ５にはフライホイールＩＣの回転数を検出し
て検出信号を発する回転センサ１０からの検出信号が送
られているので、加え合わせられｌまた直流゛出力は、この検出信号に対応する周波数の交流
電力に変換される。すなわち、フライホイール１ｃの回
転が８いときは、交流電力の周波数も低く、フライホイ
ールｌｃの回転が速いと、交流周波数も高くなる。そ１
２て、フライホイール１ｃは遊星歯車機構８ををして、
−［−記の交流電力で駆動Ｓれる誘導電動機９にて回転
されるので、フライホイール１ｃは常にその回転数に応
じ、誘導電動機９によって回転力が助勢されることにな
る。

また、誘導電動機９とフライホイール１ｃとの間の動力
伝達には遊星歯車機構８を備え、その遊星ギヤ８ｄをサ
ンギヤ８ｃの１没けであるロータ軸９ａに固定する７１
段である電磁コイル９ｂ、クラッチシュー８ｇを設けた
ので、これらの作動により、遊星歯車機構８の減速比が
複数段に可変できる。１−たがって、誘導電動機８の出
力特性番、−′応じて、遊星歯車機構８の減速比を制御
して、能率よく、フライホイール１ｃの回転力を助勢し
て、内燃機関ｌの出力を増強することが可能である。

つぎに、エンジンブし・〜ギｆ［動時には、アクセルペ
ダル、クラッチペダル、おＪ：び重速センサからの信号
がコントローラ１１に入力されると、誘導電動機９の界
磁巻線をす！換えて誘導発電機として、フライホイール
ｌｃからの回転力を電気エネルギーに変換して発電し、
レギュレータ１２、整流器１３を介してバッテリ１４を
充電して、電気エネルギーを蓄える。

また、内燃機関ｌの始動時には、バッテリ１４からの直
流電力をインバータ１５にて交流となし、誘導電動機９
を駆動して、遊星歯車機構８を介してフライホイールＩ
Ｃを回転させて、回転機関１を始動させる。このとき、
回転センサ１０の検出信号が入力されているインバータ
１５では、バッテリ１４の直流を始動に適切な周波数の
交流に変換するとともに、遊星歯車機構８の電磁コイル
９ｂは作動させずに減速比を大として、誘導電動機９を
駆動して効率よい始動操作を行う。

次に、誘導電動機９を発電機に切り変えて使用する際の
制御について、第３図のフローチャートにより説明する
。

誘導′電動機９を電動機どＩ、５て駆動する場合には、
スタートスイッチをオンに１１、（ステップＰ１）、コ
ントロー・うｉｔによりクラッチの電磁コイル９ｂをオ
フにして減速比を大きく設定する（ステップＰ２）、次
に、コント・ローラ１１で誘導電動機９を電動機駆動に
切り換え（ステップＰ５）、パップ゛す】４の電力をイ
ンバー　り１５に給電し、インバータ１５はコント１１
−７Ｊ■により所定の電圧と周波数で動ｆ１する（ステ
ップＰ４）。イン／＜、−夕１５の出力側からはＮ：、
相交流電圧が得られそれが誘導電動機９に印加されるの
で、内燃機関Ｉのクランク軸が回転を始める。誘導電動
機９の回転軸の位置を検出するポジションセンサの出力
信号もコントローラ１１に入力され（ステップＰ５）、
コントローラ１１からは、内燃機関１の回転状態に応ｌ
：Ｃ誘導市：動機９を駆動するために必オな位相制御信
号がインバータ１５に出力される（ステ７７２日）。

ポジションセンサの出力（ｉ″−］がない場合、即ち誘
導電動機９の回転が停止ｉＬ、、た場合には、バッデリ
１４の出力電力を検出しくステップＰ７）、バッテリ１
４の出力電圧が設定電力ＷＣを越えると（ステップ２日
）、警報ランプなどを動作させ（ステップＰ９）、内燃
機関ｌは自刃で回転する（ステップＰｒｏ）。内燃機関
ｌが自刃で回転しない場合には、ステップＰ１以下の処
理を繰返す。

次に、内燃機関１の回転を停止させる場合には、コント
ローラ１１からの信号により電磁コイル９ｂに通電して
減速比を小さく設定する（ステップＰ＋ｔ）。続いて、
内燃機関ｌを負荷から切り離してエンジン負荷がゼロに
なったかどうかをチェックする（ステップＰ１２）。エ
ンジン負荷がゼロにならない間はステップＰ３以下の処
理を繰返し、エンジン負荷がゼロになれば、コントロー
ラ１１で誘導電動機９を発電機駆動に切り換える（ステ
ップＰＩ５）。このとき、レギュレータ１２、整流器１
３は、発電機として動作する誘導電動機９からの電力を
直流に変換してバッテリ１４に給電するように動作しく
ステップＰ。

４）、ポジションセンサからの検出信号に応じて（ステ
ップＰｉ！５）、コントローラ１１では誘導電動機９の
位相制御を行なう（ステップＰ１６）、このように誘導
電動機９を発電機として作動させることにより、内燃機
関１のブレーキ力を変換して電力をバッテリ１４に蓄積
する。

コントローラ１１にてポジションセンサからの出力信号
が得られない場合、即ち、誘導電動機９の回転が停止し
ている場合には、電力積分器などで積分電力量を検出し
くステップＰ１７）、該電力ｆｌ＝Ｗが設定値Ｗｍより
も小さい場合、即ちバッテリ１４の電圧の方が高い場合
には、ステップＰ５以下の処理に移行し、電力量Ｗが設
定値Ｗｍよりも大きい場合には、レギュレータ１２の動
作を停止する（ステップＰ１．９）。

なお、本発明を一実施例により説明したが、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）本発明によれば排気ガスのエネルギーによって駆動され
る排気タービンに設けた発電機の出力は、内燃機関のフ
ラーホイールの回転数を検出する回転数によって制御さ
れ、フライホイールを回転させる電動機を駆動し、常に
フライホイールの回転数に対応してその回転力を助勢す
るので、排気エネルギーが効率よく回生されて、内燃機
関の出力を向上させる。また、前記電動機がフライホイ
ールの回転を助勢する伝達機構として、複数の減速比を
有する遊星歯車機構を用いたので、電動機の出力特性を
効率よくフライホイールに伝達することができる。また
、車両の減速又は停止時にはブレーキ力を発電電力に変
換してバッテリに蓄積するのでエネルギの変換効率が向
」ニする。すなわち、電動機は界磁巻線を切換えること
により発電機としても作動するので、エンジンブレーキ
時にはブレーキ力を電気エネルギーに変換できてバッテ
リの充電が行え、エネルギーの回収が可能である。

【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一
実施例を示す構成説明図、第２図は本実施例に使用の遊
星歯車機構の一例を示す構成説明図、第３図は電動機を
作動させるための制御フローを示す図である。 ■・・・内燃機関、２・・・排気マニホールド、３・・
・ターボチャージャ、４・・・交流発電機Ａ、５・・・
インバータ、７・・・交流発電機Ｂ、８・・・遊星歯車
機構、８ａ・・・内ギヤ、８ｃ・・・サンギヤ、８ｄ・
・・遊星ギヤ、８ｇ・・・クラッチシュー、９・・・誘
導電動機、９ｂ・・・電磁コイル、１０・・・回転セン
サ、１１・・・コントローラ、１２・・・レギュレータ
、１３・・・整流器、１４・・・バッテリ、１５・・・
インバータ。特許出願人　　いすぐ自動車株式会社代　理　人　　弁理士　辻　　　　實ｇ８開口屁２−９３４３０　（７）第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燃焼室、排気管に断熱構造を備えた内燃機関の排
気管内に発電機を有する排気タービンと、該内燃機関の
回転軸に歯車機構により結合された電動機とを設けると
ともに、前記内燃機関の回転数を検出する検出手段を設
け、該検出手段からの検出信号により前記発電機の出力
を制御して、前記電動機を駆動することを特徴とするタ
ーボコンパウンドエンジン。
（２）前記歯車機構をサンギヤ、遊星ギヤ、内ギヤより
なる遊星歯車機構とするとともに、前記サンギヤと遊星
ギヤとを固定する手段を設け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
。
（３）前記電動機を発電機として作動させる手段を設け
、該発電機からの出力によりバッテリを充電することを
特徴とする特請求の範囲第（１）項記載のターボコンパ
ウンドエンジン。