JPH07102987A - 排気エネルギー回収装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エンジン１のターボチャージャ７に取り付け
られ、発電機またはモータとして運転される回転電機１
１と、排気ガスにより駆動されるタービン発電機１６と
により排気エネルギーを回収する排気エネルギー回収装
置において、コストを安くしエネルギー損失を小にする
こと。 【構成】 回転電機１１には誘導機を用い、タービン発
電機１６には同期機を用いる。両者とも発電運転する時
には発電電力を合流させ、インバータ２５を介して負荷
であるモータ２６に給電する。その時の回転電機が分担
すべき電力はコントローラ２３が決定し、その電力を発
電するように、回転電機の励磁電圧，励磁周波数を制御
する。その制御は、回転電機をモータ運転する時に使用
するインバータ１９を利用して行う。残りの電力は、同
期機であるタービン発電機が自ら発電動作を調整して発
電する。かくして、負荷分担調整用のレギュレータを回
路中に設ける必要がなくなり、コストが安くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの排気系統の
途中に複数個の発電機を設け、排気エネルギーを回収す
る排気エネルギー回収装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、エンジンの各部、例えば排気マニ
ホールドの外壁，シリンダライナー，シリンダヘッド断
熱板，ピストン等に、セラミックスを使用した断熱式の
エンジンが開発されている。このエンジンでは、内部に
発生した熱を放熱してエンジンを冷却する必要がないの
で、その排気ガスは高温であり、多大のエネルギーを有
している。これをそのまま大気へ放出したのでは勿体な
いので、排気管を流れる途中で回収することが提案され
ている。

【０００３】従来提案されている回収装置としては、タ
ーボチャージャの回転軸に発電機およびモータとしても
使える回転電機を取り付けた回転電機付ターボチャージ
ャのほかに、原動機としてのタービンが排気ガスによっ
て駆動されるタービン発電機を設けた装置がある。回転
電機およびタービン発電機には、いずれも同期機が用い
られている。

【０００４】高温の排気ガスは、回転電機付ターボチャ
ージャを通過して来ても、なお大きなエネルギーを有し
ているので、タービン発電機をも充分に駆動し得る。従
って、発電は、回転電機付ターボチャージャの回転電機
で行われるほか、タービン発電機でも行われる。これら
からの発電電圧は、回転力が車両のクランク軸あるいは
車両駆動軸に伝達されるよう配置されているモータ（ア
シストモータ）を駆動するのに使われる。また、ターボ
チャージャに取り付けられた回転電機をモータ運転し
て、ブースト圧を高めようとする場合、タービン発電機
で発電された電力で駆動する。

【０００５】図２は、上述したような従来の排気エネル
ギー回収装置を示す図である。図２において、１はエン
ジン、２は吸気マニホールド、３は排気マニホールド、
４はエンジン回転センサ、５は吸気管、６は排気管、７
は回転電機付ターボチャージャ、８はコンプレッサブレ
ード、９はタービンブレード、１０は回転センサ、１１
は回転電機、１２は回転子、１３は固定子巻線、１４は
タービンブレード、１５は回転センサ、１６はタービン
発電機、１７は回転子、１８は固定子巻線、１９はイン
バータ，２０は整流平滑回路、２１は平滑回路、２２は
ブースト圧センサ、２３はコントローラ、２４はアクセ
ル開度センサ、２５はインバータ、２６はモータ、２７
はクランク軸、２８はスイッチ部、２９はレギュレータ
である。

【０００６】エンジン１の排気ガスが排気管６を流れる
と、タービンブレード９およびタービンブレード１４が
回転され、回転子１２，１７が回転される。タービン発
電機１６は、文字通り発電機としてのみ動作する。回転
電機１１は、エンジン１の状況（言い換えれば、これが
搭載されている車両の状況）に応じて、発電機として動
作させられたりモータとして動作させられたりする。例
えば、ブースト圧が充分な大きさであり、それ以上過給
する必要がない状況では、発電機として動作させられ
る。ブースト圧が不足している状況では、モータとして
動作させられる。

【０００７】図３は、インバータの構成例を示す図であ
る。この構成は公知のものであり、Ｄはダイオード、Ｓ
はスイッチング素子である。スイッチング素子Ｓとして
は、例えばトランジスタが使用される。ダイオードＤ
は、スイッチング素子Ｓに対して逆並列に接続されてい
る。これは、スイッチング素子Ｓがスイッチング動作す
る際に処理しなければならないフライホイール電流を流
す経路を提供する等の役割を果たしている。この例で
は、スイッチング素子ＳとダイオードＤの逆並列接続ユ
ニットを６組用いて、３相の交流が得られるようにされ
ている。各スイッチング素子Ｓのスイッチング制御は、
コントローラ２３によって行われる。

【０００８】インバータ１９は、回転電機１１をモータ
運転する場合に、モータ駆動電圧を生成するために設け
られているが、内部に整流素子（図３のＤ）を有してい
るので、発電運転時の整流回路としても用いられる。

【０００９】モータ２６は、エンジン負荷が大きい場合
などに、クランク軸２７の回転を補助するトルクを与え
るためのものである。モータ２６には、例えば同期機が
用いられる。回転電機１１あるいはタービン発電機１６
にて発電した電力を、モータ２６の駆動に用いれば、排
気エネルギーがクランク軸２７の回転を補助するトルク
という形で、回収されることになる。

【００１０】回転電機１１の固定子巻線１３はインバー
タ１９に接続されるが、インバータ１９の直流側は、平
滑回路２１，レギュレータ２９を経て、負荷（インバー
タ２５，モータ２６）に接続される。タービン発電機１
６の固定子巻線１８は、整流平滑回路２０を経て前記負
荷に接続される。従って、回転電機１１，タービン発電
機１６の発電電力は、合流されて負荷であるモータ２６
を駆動するのに用いられる。

【００１１】スイッチ部２８は、回転電機１１がモータ
運転する場合にオンされ、発電機運転する場合にオフさ
れるスイッチである。オン，オフの制御は、コントロー
ラ２３によって行われる。従って、回転電機１１をモー
タ運転する場合には、タービン発電機１６から、整流平
滑回路２０，スイッチ部２８，インバータ１９を経て、
駆動電圧が供給される。モータ２６に対しては、インバ
ータ２５を通って給電される。

【００１２】コントローラ２３は、各種センサからの検
出信号、例えば回転数検出信号，ブースト圧検出信号，
アクセル開度検出信号等を参考にしつつ、インバータ１
９，２５、レギュレータ２９、スイッチ部２８を制御す
る。例えば、アクセル開度センサ２４の検出信号は、加
速するか否かのドライバーの意志を反映しているので、
加速しようとしている時には、ブースト圧センサ２２で
検出されたブースト圧をみて、不足していれば回転電機
１１をモータ運転すべくスイッチ部２８，インバータ１
９を制御する。

【００１３】レギュレータ２９は、例えばスイッチング
制御により電圧を制御する構成とされている。レギュレ
ータ２９の排気エネルギー回収装置内における役目は、
回転電機１１とタービン発電機１６とが発電運転してい
る場合に、両者の負荷分担を決めることである。

【００１４】レギュレータ２９を制御して回転電機１１
側からの電圧を少し高くすると、回転電機１１の負荷分
担が増加し、タービン発電機１６の負荷分担は減少す
る。逆に回転電機１１からの電圧を少し低くすると、負
荷分担は逆の方向に変化する。コントローラ２３は、レ
ギュレータ２９に制御信号を送ることにより、負荷分担
を制御する。

【００１５】なお、この種の排気エネルギー回収装置に
関する従来の文献としては、例えば特開昭62−284923号
公報がある。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た従来の排気エネルギー回収装置では、負荷分担調節用
にレギュレータを設けているので、コストが高くなると
共に、そこでエネルギーをロスしてしまうという問題点
があった。本発明は、このような問題点を解決すること
を課題とするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の排気エネルギー回収装置では、ターボチャ
ージャに取り付けられ発電機またはモータとして運転さ
れる誘導機の回転電機と、排気ガスにより駆動される同
期機のタービン発電機と、前記回転電機に接続されたイ
ンバータと、該インバータの直流側に接続されると共に
負荷へと接続される平滑回路と、前記負荷と前記平滑回
路との接続点と前記タービン発電機との間に接続される
整流平滑回路と、前記インバータを制御するコントロー
ラとを具えることとした。

【００１８】

【作 用】ターボチャージャに取り付けられ、発電機
またはモータとして運転される回転電機と、排気ガスに
より駆動されるタービン発電機には、従来、いずれも同
期機が用いられていたが、本発明では回転電機には誘導
機を用いる。回転電機も発電機運転する場合には、エン
ジン回転数，回転電機回転数，アクセル開度等を参考に
して、コントローラが回転電機の分担発電量を決定す
る。

【００１９】そして、その分担発電量を発電するよう、
回転電機への励磁電圧，励磁周波数を、回転電機をモー
タ運転する時に使用するインバータを利用して制御す
る。回転電機の発電電圧等が上記のようにして制御され
るため、同期機のタービン発電機は自ら発電動作を調整
して、残りの電力を分担するよう発電する。そのため、
いずれにも同期機を用いていた従来例では必要であった
負荷分担調整用のレギュレータは、不用となる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図１は、本発明の排気エネルギー回収装置
を示す図である。符号は図２のものに対応している。図
２と同じ符号の部分は、従来と同様の動作をするので、
その説明は省略する。構成上、図２の従来例と異なる第
１の点は、回転電機１１として同期機ではなく誘導機
（ＩＭ…Induction Machine ）を用いることとした点で
ある。異なる第２の点は、スイッチ部２８，レギュレー
タ２９が不用となったという点である。

【００２１】タービン発電機１６の固定子巻線１８は、
従来と同様、整流平滑回路２０を経てインバータ２５と
接続される。回転電機１１の固定子巻線１３は、インバ
ータ１９，平滑回路２１を経て、インバータ２５と接続
される。コントローラ２３は、インバータ１９，２５を
制御する。

【００２２】次に、以上のような構成の排気エネルギー
回収装置の動作を説明する。タービン発電機１６は発電
運転するのみであるので、回転電機１１が発電運転する
場合とモータ運転する場合とに分けて説明する。

【００２３】まず、回転電機１１も発電運転する場合に
ついて説明する。回転電機１１の発電電圧は、インバー
タ１９内の整流素子（図３のＤ）により整流され、平滑
回路２１により平滑される。発電電圧，電力の大きさ
は、インバータ１９において励磁電圧および周波数を制
御することによって制御される。その制御はコントロー
ラ２３によって行われるが、その詳細は次の通りであ
る。

【００２４】コントローラ２３は、エンジン回転センサ
４からの検出信号およびアクセル開度センサ２４からの
検出信号を参考にして、そのとき回転電機１１とタービ
ン発電機１６とで発電すべき電力を割り出す。例えば、
前記検出信号等と発電すべき電力との関係を示すテーブ
ルを、予め実験等により求めてコントローラ２３に記憶
させておき、それを参照して割り出す。

【００２５】そして、求めた電力の内、いくらを回転電
機１１に分担させるべきかを決定する。その決定は、回
転センサ１０で検出された回転電機１１の回転数を参考
にして行う。こうして回転電機１１の分担電力が決めら
れると、それに応じた励磁電圧および周波数の制御が、
インバータ１９において行われる。

【００２６】前記のようにして回転電機１１の発電電
圧，電力が制御されると、それに応じてタービン発電機
１６は発電動作を自ら調整することになるが、その結
果、残りの負荷を分担するような発電動作が行われる。
そして、全体としては、コントローラ２３が割り出して
いた「発電すべき電力」が発電される。この電力は、イ
ンバータ２５を経てモータ２６に供給され、クランク軸
２７の回転を助ける。

【００２７】次に、回転電機１１をモータ運転する場合
について説明する。この時の電源は、タービン発電機１
６である。整流平滑回路２０，平滑回路２１を経てイン
バータ１９に送られて来た直流電圧は、インバータ１９
にて所要のモータ駆動電圧に変換されて、回転電機１１
に印加される。モータ運転の制御はインバータ１９で行
われるが、それは、ブースト圧が目標ブースト圧（これ
は、エンジン回転数とアクセル開度より決定される）に
なるまで継続される。

【００２８】

【発明の効果】以上述べた如く、本発明の排気エネルギ
ー回収装置においては、タービン発電機には従来通り同
期機を用いるが、ターボチャージャに取り付ける回転電
機には誘導機を用いる。そして、回転電機も発電機運転
する場合には、コントローラが回転電機の分担発電量を
決定し、その分担発電量を発電するよう、回転電機への
励磁電圧，励磁周波数を、モータ運転時に使用するイン
バータを利用して制御する。

【００２９】そのため、いずれにも同期機を用いていた
時には負荷分担を調整するのに必要であったレギュレー
タは不用となり、レギュレータを設けることによるコス
ト上昇やエネルギー損失を回避することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の排気エネルギー回収装置を示す図

【図２】 従来の排気エネルギー回収装置を示す図

【図３】 インバータの構成例を示す図

【符号の説明】

１…エンジン、２…吸気マニホールド、３…排気マニホ
ールド、４…エンジン回転センサ、５…吸気管、６…排
気管、７…回転電機付ターボチャージャ、８…コンプレ
ッサブレード、９…タービンブレード、１０…回転セン
サ、１１…回転電機、１２…回転子、１３…固定子巻
線、１４…タービンブレード、１５…回転センサ、１６
…タービン発電機、１７…回転子、１８…固定子巻線、
１９…インバータ、２０…整流平滑回路、２１…平滑回
路、２２…ブースト圧センサ、２３…コントローラ、２
４…アクセル開度センサ、２５…インバータ、２６…モ
ータ、２７…クランク軸、２８…スイッチ部、２９…レ
ギュレータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ターボチャージャに取り付けられ発電機
   またはモータとして運転される誘導機の回転電機と、排
   気ガスにより駆動される同期機のタービン発電機と、前
   記回転電機に接続されたインバータと、該インバータの
   直流側に接続されると共に負荷へと接続される平滑回路
   と、前記負荷と前記平滑回路との接続点と前記タービン
   発電機との間に接続される整流平滑回路と、前記インバ
   ータを制御するコントローラとを具えたことを特徴とす
   る排気エネルギー回収装置。