JPH0211722B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、エンジンにおける排気エネルギー回
収装置に関する。

（従来技術） 内燃機関であるガソリンエンジンやデイーゼル
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つてピストンを押し下げて出
力を発生する。そして、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、未だかなりのエネルギーを保持
している。

（発明が解決しようとする課題） ところで、最近内燃機関から排出される排気ガ
スに残存する高いエネルギーを回収し、これをク
ランク軸に帰還させて運転効率を高めようとする
ものが発表され、たとえば、実開昭57−89828号
公報に記載されている。

この公報に記載されているものは、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。

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、かつ伝達光率が悪いため、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
という欠点もあつて、あまり有効なものではな
い。

また該公報に記載されている他のものは、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回転
力をもつて発電機を回転させ、該発電機から得ら
れた電力をもつて、クランク軸に結合された電動
機を回転し、回収したエネルギーをクランク軸に
帰還させるものである。

かかる装置はエネルギー回収装置全体の構造が
複雑であるばかりか、発電機から得られた電力を
制御装置無しに電動機に印加しているため、発電
機及び電動機の制御が実行できず、実現不可能な
ものである。

さらに、エンジンから排出される排気ガス流に
よつて回転駆動されるタービンを備えた界磁制御
型の発電機と、該発電機にて発生される電力によ
つて回転される界磁制御型モータと、前記発電機
に接続されてエンジン回転数検出器によつて検出
されたエンジン回転数に応じて前記モータの回転
を制御するコントローラと、前記モータとエンジ
ンとの間に介在されて該モータの回転力をエンジ
ンに断続伝達するとともに前記コントローラによ
つてその断続が制御される電磁クラツチと、から
なり、排気ガスエネルギーをタービンおよび発電
機により電気エネルギーに変換し、該電気エネル
ギーをモータにより再び（機械回転）運動エネル
ギーに変換し、該運動エネルギーをエンジン駆動
に供するような排気エネルギー回収装置が実開昭
58−30727号公報（実願昭56−124309号出願）に
記載されている。

しかしながら、該公報に記載されている排気エ
ネルギー回収装置の発電機は該公開公報の記載か
らあきらかなように、界磁電流を制御してその発
電量を制御する方式の発電機であり、回転子に巻
線が使用されている。したがつて、タービンによ
り高速に回転されたとき、回転子を構成する巻線
などの部品は、タービンの高速回転によつて生じ
る大きな遠心力により微塵に砕かれて使用に耐え
られなくなる。

また、該公報に記載されているものはエンジン
の回転数を検出し、この回転数によりモータの電
機子電圧および界磁電流を制御すると同時に、発
電機の界磁電流を制御しているので、エンジンの
回転数検出器は本装置にとつて必須なものである
ばかりか、制御回路が複雑になるという欠点があ
る。

さらに、該公報に記載されているものは、モー
タとエンジンの回転軸との間にクラツチが介在し
ており、このクラツチのオンオフ制御も制御回路
で行なつているので、該制御回路の構成がなお一
層複雑となる欠点を有する。

本発明は、このような従来の欠点を改善せんと
するものであり、その目的は、内燃機関の排気ガ
スが保持しているエネルギーを効率良く回収して
クランク軸に効率良く帰還せしめることができる
とともに、タービンの直結した発電機を高速回転
せしめても発電機が破壊することなく、かつ発電
機とモータの界磁制御、エンジンの回転数検出、
クラツチ制御などの手段を講じることなく、更に
クラツチを設けることもなく装置全体を効率よく
制御できるような排気エネルギー回収装置を提供
することにある。

（課題を解決するための手段） 排気タービンのタービン軸に回転軸を直結され
該回転軸には永久磁石で構成された回転子が設け
られている交流発電機と、エンジンの回転軸に結
合された直流電動機と、該交流発電機から得られ
る交流電力を入力し、これを直流電力に変換して
出力し、入力側から出力側へのみ電力を通過せし
める整流手段と、該整流手段から該直流電動機に
供給される電力の定格以上の供給を阻止する制御
装置と、を有することを特徴とするエンジンの排
気エネルギー回収装置。

（作用） 本発明の装置は、エンジンの排気ガスによつて
駆動されるタービンのタービン軸に連結した交流
発電機によつて発電される交流電力を、整流して
直流電動機に供給する際に、該整流された電力量
を調整し、該直流電動機に対して常に定格出力を
発揮する最適負荷条件の許で稼動するように制御
する。

そして、アイドリング時など排気ガスの排出が
少なく交流発電機から直流電動機に供給される電
力がない場合には、エンジンにより直流電動機が
回転され、その直流電動機が一時的に直流発電機
となつて電力を発生する整流手段がその電力の交
流発電機方向への逆流を防止するため直流電動機
が空回りするだけでエンジンの負荷とはならな
い。

（実施例） 次に本発明の一実施例を図面を用いて詳細に説
明する。

第１図は本発明の構成図である。

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
リンダヘツド断熱板、排気バルブ、ピストンなど
にセラミツクスを使用した断熱式のものである。

２は排気マニホールドであり、外壁はセラミツ
クスで構成されて、断熱構造となつている。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。３ａはタービン渦室であり、内部
にタービンブレード３ｂが回転可能に配設されて
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は、回転子が永久磁石で構成され、
固定側に電機子巻線を配設した２極交流発電機で
ある。この交流発電機４は、排気タービン３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軸方向に長く形
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。ま
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200V程度、周波数約
3.5KHz程度の交流電圧を発生する。

５はサイリスタ・ブリツジにより構成されてい
るコンバータである。該コンバータ５はゲート端
子に印加されるパルス信号によりオン状態とな
り、交流発電機４により発電された交流を整流し
て直流（脈流）に変換し、後述する直流電動機７
方向へのみ通過させるものである。そして、該パ
ルス信号の印加タイミングを変更することにより
直流電動機７へ供給する電力を変更することがで
きる。ところで、このコンバータ５を構成するサ
イリスタは3.5KHz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はコンバータ５のサイリスタゲート端子に印
加するパルス信号を制御するゲート制御回路であ
る。

７は直流電動機であり、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て作動する直流直捲電
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。

次に本発明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、交流発電機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、発電機となつて直流電圧を発生する。そして
該直流電動機７によつて発生した電力はコンバー
タ５を逆流して交流発電機４方向へと流れようと
する。しかし、ゲート制御回路６はコンバータ５
を「直流電動機７の力行」状態、すなわち直流電
動機７方向へと電力を供給するようにゲート制御
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。そして、さらに該直流電動機７には
その発電電力を消費すべき負荷が接続されていな
いのでエンジン１の回転軸１ａに対して制動力を
作用させることはい。

なお、この時直流電動機７により発電された電
力によりサイリスタのカソードに発生する電圧
は、該サイリスタのブレークオーバ電圧以下にな
るよう設定されている。

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の出力電圧も上昇し、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７はエン
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
収されてエンジン１の回転軸に帰還される。

電流検出器８は常に直流発電機７への供給電流
を検出し、この信号によりゲート制御回路６がサ
イリスタのゲートを制御して常に直流電動機７へ
の供給電流を制御してこれが定格出力を発生する
ように電力を供給するので、エンジンの回転数が
変化しても直流電動機７は最適負荷条件、すなわ
ち定格出力状態のもとで駆動制御される。

また、何等かの原因で直流電動機７に過大な負
荷がかかり、定格以上の電流が流れようとする
と、これを電流検出器８が検出し、ゲート制御回
路６がコンバータ５のサイリスタのゲートを絞り
込んで電流を抑制し、常に直流電動機７を上記最
適負荷条件のもとで駆動できるように制御する。

このような回路構成にすれば、回路全体を高電
圧の回路系にて構成出来るので、自動車で通常使
用されている12Vあるいは24V系の回路構成に比
べて、損失も少なくなる。

第２図は本発明の第二実施例を示す構成図であ
り、第１図と同一部分には同一の符号を付し、そ
の説明を省略する。

第２図において、１５はシリコン整流素子をブ
リツジ結合せしめて整流回路である。１８はスイ
ツチングレギユレータであり、整流回路１５から
直流電動機７へ供給される直流出力電流をデユー
テイ制御し、該直流出力電流の安定化を計り、直
流電動機７を効率良く安定して駆動できるように
作動する。

この実施例の動作は、交流発電機４にて発電さ
れた交流を直接整流回路１５で整流する。整流回
路１５の出力は電圧の変動も激しいため、一旦ス
イツチングレギユレータ１８に入力し、これで安
定化した後直流電動機７に印加される。

この実施例の変形例として、交流発電機４の出
力端に電圧の昇圧装置を設けるとともに、整流回
路１５とレギユレータ１８とを直流電動機７近傍
に配設し、交流発電機４の出力電圧を昇圧装置に
よりさらに昇圧した後、これを整流回路１５にて
整流し、レギユレータ１８により直流電動機に最
適な電圧に変換し、直流電動機７を駆動するよう
に構成してもよい。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明に係るエン
ジンの排気エネルギー回収装置は、排気タービン
のタービン軸に回転軸を直結され該回転軸には永
久磁石で構成された回転子が設けられている交流
発電機と、エンジンの回転軸に結合された直流電
動機と、該交流発電機から得られる交流電力を入
力し、これを直流電力に変換して出力し、入力側
から出力側へのみ電力を通過せしめる整流手段
と、該整流手段から該直流電動機に供給される電
力の定格以上の供給を阻止する制御装置とを巧み
に組み合わせているので、交流発電機と直流発電
機の界磁を制御することなく、エンジンの回転数
を計測する手段も必要なく、また直流発電機とエ
ンジンとの間にクラツチを設けることもなく、円
滑にしかも簡単にエンジンの排気エネルギーを回
収することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２
図は他の実施例を示す構成図である。 １……エンジン、２……排気マニホールド、３
……排気タービン、４……交流発電機、５……コ
ンバータ、６……ゲート制御回路、７……直流電
動機、８……電流検出器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 排気タービンのタービン軸に回転軸を直結さ
   れ該回転軸には永久磁石で構成された回転子が設
   けられている交流発電機と、エンジンの回転軸に
   結合された直流電動機と、該交流発電機から得ら
   れる交流電力を入力し、これを直流電力に変換し
   て出力し、入力側から出力側へのみ電力を通過せ
   しめる整流手段と、該整流手段から該直流電動機
   に供給される電力の定格以上の供給を阻止する制
   御装置と、を有することを特徴とするエンジンの
   排気エネルギー回収装置。