JPS63253896A - 高速タ−ビン交流機の制御装置 - 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） 本発明はガスタービンにより駆動される高速タービン交
流機の制御装置に関し、特に内燃機関の排気ガス系に接
続された排気ガスタービンにより駆動される高速タービ
ン交流機の位相制御装置に関する。

（従来の技術） 内燃機関の排気ガスの有するエネルギーを利用してター
ビンを駆動し、効率的に排気ガスエネルギーを回収せし
めるタービン式エネルギー回収装置が内燃機関に搭載さ
れるように雇った。

かかる内燃機関において、上記タービンのシャフトに電
動−発電機等の交流機を設けた構成が特願昭５９−５１
．５５９号に記載されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記従来例に示されているものは、ター
ビン軸から得られる機械的出力を有効に回収するための
交流器制御手段が不十分であった。

本発明は、上述の如き従来の欠点を改善しようとするも
のであり、その目的は、タービン軸に接続されたタービ
ン交流機を制御してタービン軸出力を効率良く電気的エ
ネルギーに変換しようとするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、燃焼ガスエネルギーにより駆動される
タービンの回転軸に連結された交流機を制御する高速タ
ービン交流機の制御装置において、タービンの機械的出
力を演算する手段と、交流機の出力をタービンの機械的
出力に近ずける交流機の制御手段とを有する高速タービ
ン交流機の制御装置が提供される。

（作用） 本発明は、タービン交流機の電気的出力をガスタービン
の機械的出力と比較し、タービンの機械的出力が常に無
駄にならないようにタービン交流機を常に最適位相にお
いて作動させるように制御がなされるものである。

（実施例） つぎに、内燃機関の排気ガス系に設けたはターボチャー
ジャに例をとり、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。

第１図は本発明を実現するための一実施例ブロック図で
あり、第２図は排気ガスタービンの概略と、それに関連
する部材との関係を示す説明図である。

図において、１は排気ガスタービン、例えばターボチャ
ージャ、２はコンプレッサ、３はコンプレッサインペラ
、４はタービン、５はタービシインペラであり、タービ
ンインペラ５とコンプレッサインペラ３とはシャフト６
にて直結され、ベアリング７にて排気ガスタービンｌの
内部にて回転自在となる如く支承されている。そして。

タービン４はスクロール部４ａを介して内燃機関８の排
気マニホールドと連通しているので、排気ガスのエネル
ギーを受けてタービンインペラ５が回転　し、シャフト
６を介してコンプレッサインペラ３を回転せしめる。そ
して、エアクリーナより導入した空気をディフューザ２
ａにて圧力変換し、内燃機関８のシリンダ８ａに圧送す
るよう動作す　る。

また、上記シャフト６の中央部付近には希土類元素を含
んだリング状の磁石ロータｌＯが配設され１強力な磁力
を保持している。そして、該磁石ロータの外周を炭素繊
維で巻き固め、磁石ロータ１０の超高速度回転による遠
心力や振動を受けても強固な磁石ロータとしての耐久力
を有している。

１１は磁石ロータｌＯに対向するステータコアであり、
磁石ロータｌＯの回転によりステータコイル１２に交流
電圧を誘起し、さらに、ステータコイル１２に所定の交
流電力を供給することにより磁石ロータｌＯは回転する
。したがって、ステータコア、１１、ステータコイル１
２．磁石ロータ１０にて構成するタービン交流４１ｔＭ
Ｇ、例えば電動−発電機を構成する。

第１図に示すブロック図において、１３は吸気管９に設
けられたブースト圧センサであり、コンプレッサインペ
ラ３にて圧送する過給気のブースト圧を検出してコント
ローラ１４に信号を発する。１５は内燃機関８の本体に
付設した噴射ポンプであり、流量制御器１６により燃料
が制御されてシリンダ８ａに噴射される。そして、噴射
される燃料流量が流量センサ１７にて検出され、その燃
料流量に基づく信号が流量センサ１７によりコントロー
ラ１４に送信される。１８は内燃機関８のクランクケー
ス８ｂに設けた回転センサであり、クランク軸の回転数
を検出してコントローラ１４に信号を送出する。

つぎに、１９はバッテリ２０より供給される直流を、所
定の交流に変換してステータコイル１２に電力を供給す
るインバータであり、このため、タービン交流機ＭＧは
電動機として作動しシャフト６を回転させ、排気エネル
ギーにて回転するシャフト６を付勢するので、コンプレ
ッサインペラ３にての過給作動を助勢せしめる。なお、
ステータコイル１２への供給電力の大小、およびＯＮ・
ＯＦＦはコントローラ１４の指示にて行われる。

ＰＷＭ制御器２１はタービン交流機ＭＧが発電機として
作動時の発電電力を受け、該電力の電圧を制御してレギ
ュレータ２２に送出する。そして、レギュレータ２２は
ＰＷＭ制御器２１よりの電力ヲバッテリ２０に整合させ
て充電を行う。

２３はタービン交流機ＭＧが発電機として作動時のステ
ータコイル１２よりＰＷＭ制御器２１に流入する電力を
検出する電力検出手段となる電力センサであり、該検出
電力に基づく信号をコントローラ１４に送出するよう構
成されている。

また、２４はバッテリ２０の端子部に設けた電力量計で
あり、タービン交流機ＭＧが電動機として作動時のバッ
テリ２０よりの電力や、該電力のｖＩ算値が算出可能な
積算手段として、バッテリ２０の端子電圧と、充放電時
の電流と、積算電力量の検出などが検出回部であり、上
述の電圧、電流、電力量に基づく信号をコントローラ１
４に送出する。また２５はアクセルレベルセンサである
。

コントローラ１４は、その入力として流量センサ１７、
回転センサ１８、アクセルレベルセンサ２５、ブースト
圧センサ１３、電力センサ２３および、電力量計２４よ
りの信号を受け、流量制御器１６、インバータ１９．Ｐ
ＷＭ制御器の制御を行う指令を発するよう構成されてい
る。そして流量センサ１７と回転センサ１８よりの信号
が予め定めた第１の所定領域の値の場合にはＰＷＭ制御
器２１に指令を発し、ステータコイル１２よりの電力を
所定値の電圧に制御して、レギュレータ２２を介してバ
ッテリ２０を充電せしめるよう制御を行う、また、流量
センサ１７と回転センサ１８よりの信号が予め定めた第
２の所定領域の値の場合には、ブースト圧センサ１３よ
りの信号が所定値か否かをチェックしつつ、インバータ
１９に指令を発してバッテリ２０よりの直流を所定の交
流に変換せしめ、タービン交流機ＭＧを電動機としで作
動せしめる制御を行う、そしてさらに、バッテリ２０の
端子部に設けた電力量計２４からも、積算数、電電力量
に基づく信号を受信し、バッテリ２０が過放電状態とな
らないようインバータ１９の制御を行う。

以下、本発明に特有の制御原理について説明する。排気
ガスタービン１の駆動動力Ｌ！は次式で、　　表される
。

Ｌｔ　□　ηｔ　ＣｐＴ　ｏ　［（Ｐ　ｓ　／ＰＯ繁−
”’　−１］ＸＧｉｎ・・・　（１） ここで、Ｇｉｎ：吸気重量流量、ｋ：混合器の断熱指数
、Ｔｏ：過給器入力の吸気絶対全温度、Ｐ５．Ｐ（１：
吸入全圧力および排出全圧力で。

Ｐｓ／Ｐｏは圧縮比であり、ηに全断熱効率である。

つぎに、タービンの出力ＬＥは、 ＬＥ＝η２　ｃｐ↑ｔ　［１−（Ｐ　Ｅ　２　／ＰＫ・
ダー１／ｋ　。

ＸＧＥ　ｘ・・・　（２） で表され、ここで、ＧＥ　ｘ　：排気ガスの重量流量、
ｋ：断熱指数、ＰＥ２　＋ＰＥｔ　：タービン４の入口
および出口の全圧力、Ｔに入口のガス絶対全温度、η２
：タービン４の効率である。

つぎに、機械的負荷出力Ｌ２は、前記ＬＥ−り、に比例
して一定の効率゛η３で得られるので、ηｙｓ　　（Ｌ
Ｅ　　Ｌｔ）＝Ｌ２・−−（３）となる、なおη３は、
コントローラ１４のＣＰＵに内蔵された、回転負荷に応
じて決められた効率である。このＬ２と、別途電力セン
サ２３によって測定されるタービン交流機ＭＧの負荷電
力Ｌｌと比較した結果に応じて、タービン交流［ＭＧの
位相を制御する。

第３図は本実施例の作動の一例を示す処理フロー図であ
る。ステップｂ、ｃ、ｄ、ｅにおいて、エンジン回転Ｉ
ｎ、アクセルレベルＡＣＬ。

タービンの回転数Ｎ、エンジン吸気ブーストＰｌｔが検
出される。また、前記（１）式により駆動動力Ｌ！が算
定される。

つぎにステップｆ９ｇにおいて、タービン入口および出
口の全圧力ＰＥ２．ＰＥｔが検出され、前記（２）式に
よってタービンの出力ＬＥが算定される。

つぎのステップｈにおいては、ターボチャージャｌの負
荷出力Ｌｔ　ｃｇが算定される。

ステップｉにおいてタービン交流機ＭＧの負荷電流と負
荷電圧の値が検出され、これによって負荷電力Ｌ１が算
定される。

前記式（３）によりη５（ＬＥ−Ｌｌ）＝Ｌ２であるか
ら１機械的負荷Ｌ２が算定され、前記負荷電力Ｌ１との
大小が比較゛される（ステップｋ）、Ｌ２　＜Ｌ、であ
れば、タービン交流機ＭＧの電流と電圧間の位相角を調
整しくステップｌ）、新しい機械的出力レベルＬ５を測
定しくステップｍ）、電力値Ｌ１と比較される（ステッ
プｎ）−０依然としてＬ５　＜Ｌ、であれば、ステップ
ｌとは反対方向に位相角を調整する（ステップｐ）、再
び機械的出力レベルＬ４を測定しくステップｑ）、Ｌ５
とＬｌを比較しくステップｒ）、出力が向上してＬ５＜
Ｌｌならば位相を固定して（ステップＳ）ステップａに
もどる。やはりＬｌが小さくてＬ５　＞Ｌｌであれば、
更に逆方向に位相角を増加させる（ステップｔ）、出力
向上レベルＬ６を測定しくステップｕ）、再びＬｌ、Ｌ
Ｅの比較が行われ（ステップｖ）、ＬｌくＬＥになれば
位相を固定する。以下、前記と同様に、位相角調整と比
較とが交互に行なはれ（ステップｗ、ｘ）、Ｌｎ＜Ｌｎ
＋１となったステップで位相が固定される。なお、成る
一定の複数回繰りかえされてもＬｎ＞Ｌｎ＋１であると
きは。

異常信号が発せられる（ステップｚ）。

前記ステップｎからｐｌへの分枝はり、＞Ｌｌの場合で
１位相角調整（ステップｐ１）、機械的出力レベルト５
測定（ステップｑｔ）、出力比較（ステップｒ）を経て
、Ｌ５＞Ｌ、となれば位相を固定する（ステップＳ　ｔ
　）　ａ　Ｌ　５＜　Ｌ　ｙ５ならば、位相角調整（ス
テップｔ１）、出力Ｌ７の測定（ステップｔｚ）を経て
、ステップＶｌに移る。ステップｖ１では、ＬＥとＬｌ
を比較し、ＬＥ＜Ｌｌであれば位相を固定する（ステッ
プｙ１）、ＬＥ　＞Ｌ？であれば、位相角調整と出力比
較とが交互に繰りかえされ（ステップｗｌ。

Ｘｌ　）、Ｌｎ　’＜Ｌｎ　”＋１となったステップで
位相が固定される。なお、成る一定の複数回繰りかえさ
れても、なおＬｎ′＞Ｌｎ”＋１であるときは、異常信
号が発せられる（ステップｚ）。

上記実施例は、内燃機関の排気ガス系に設けたターボチ
ャージャに未発り１を実施したものであるが、本発明の
実施例はこのような例のみにとどまるものではない、即
ち、本発明において開示する如く　排気ガスタービンの
如く高速回転する回転軸に交流発電機を直結して、該排
気ガスタービンの軸出力を電気エネルギーに変換するこ
とが可能となった。

そこで、本発明の次の実施例を説明する。車両を駆動す
るに十分な出力１例えば数百ＨＰの軸出力を有するガス
タービンを用意し、該ガスタービンの出力軸に数百ＫＷ
の出力を要するタービン発電機を直結し、更に前記実施
例に示す如くガスタービンの機械的出力を測定する手段
とタービン発電機の電気的出力を測定する手段と、これ
ら２つの手段からの出力を比較する手段と、タービン発
電機の出力を調整する手段と、更に該タービン発電機の
出力により車両を駆動する駆動手段を設けておき、常に
タービン発電機の電気的出力とガスタービンの機械的出
力とを比較し、タービンの発電機の出力を常にガスター
ビンの機械的出力に近ずけるようにタービン発電機の出
力を制御するように構成する。

なお前記において１本発明を図示の実施例について説明
したが、本発明はこれらの実施例に示されたもののみに
限定されるものではなく１本発明の主旨の範囲内におい
て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） にタービン交流機を設け、その電力出力が常に械的負荷
計算値以上になるように出力電圧の位相差を調整する゛
ことができ、排気ガスタービンの過給効率を最適に保ち
、十分な過給気をシリンダに圧送することとなり、内燃
機関の出力やトルクの向上が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実現するための一実施例ブロック図、
第２図はターボチャージャの概略と関連部材との関係を
示す説明図、第３図は本実施例の作動の一例を示す処理
フロー図である。 ｌ・・・排気ガスタービン、２・・・コンプレッサ。 ４・・・タービン、６・・・シャフト、８・・・内燃機
関、８ａ・・・シリンダ、１４・・・コントローラ、２
３・・・電力センサ、 ２４・・・電力量計、ＭＧ・・・タービン交流機。 特許出願人　　　　いすＣ自動車株式会社代　　理　　
人　　　　　　弁理士　　辻　　　　　　實第３図（才
の２）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃焼ガスエネルギーにより駆動されるタービンの
   回転軸に連結された交流機を制御する高速タービン交流
   機の制御装置において、タービンの機械的出力を演算す
   る手段と、交流機の出力をタービンの機械的出力に近ず
   ける交流機の制御手段とを有することを特徴とする高速
   タービン交流機の制御装置。
2. （２）タービンの回転軸に交流機以外の機械的負荷が共
   に設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第（
   １）項記載の高速タービン交流機の制御装置。
3. （３）タービンが内燃機関の排気系に接続されたターボ
   チャージャであることを特徴とする特許請求の範囲第（
   １）項記載の高速タービン交流機の制御装置。