JPH086583B2 - 内燃機関の排気エネルギ−回収方法 - Google Patents

内燃機関の排気エネルギ−回収方法

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JPH086583B2 JP62100129A JP10012987A JPH086583B2 JP H086583 B2 JPH086583 B2 JP H086583B2 JP 62100129 A JP62100129 A JP 62100129A JP 10012987 A JP10012987 A JP 10012987A JP H086583 B2 JPH086583 B2 JP H086583B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガソリンエンジンなどの内燃機関の排気エ
ネルギーを回収する方法に係り、特に、自動車用に好適
な内燃機関の排気エネルギー回収方法に関する。
〔従来の技術〕 熱機関は、一般にその効率が低く、比較的効率の良い
内燃機関においても、消費したエネルギーの半分以上は
無駄に放出されてしまつている。
そこで、この無駄になつているエネルギーのうち、排
気エネルギーを回収して高効率化を図る方法が、例え
ば、特開昭57−59010号公報などによつて開示されてい
る。
ところで、この従来技術では、排気エネルギーにより
タービン発電機を駆動し、この発電機の出力で、内燃機
関に直結した電動機を駆動することにより、エネルギー
の回収が得られるようにしているが、このとき、発電機
と電動機の出力の制御については、具体的な開示はな
く、特に何も配慮されていなかつた。
また、他の従来技術においては、電動機を定トルク制
御する点について開示しており、この結果この従来技術
では、電動機の出力軸が内燃機関の出力軸に機械的に連
結されていることから、内燃機関の回転速度が高速にな
るにつれて電動機の出力も増大して行くように制御され
ていた。
〔発明が解決しようとする問題点〕
一般に自動車等に使用されているエンジンの、回転数
(回転速度)と出力転のトルクとの関係は第4図に示す
ような特性を有している。これからエンジンは、低速側
のトルクが小さいことがわかる。
また、同じく自動車を例にとると、通常の走行パター
ンは第5図に示す通りで、ほとんどの時間は、ほぼ半分
以下の回転数で使用されていることが判る。
従つて、従来技術では、常用使用回転時間率に対する
効果的な動力回収効果が考慮されておらず、 (1) 発電機の能力がほぼ半分位しか活用できない。
(2) 最もトルクを必要とする低速側で十分な動力回
収が出来ない。
(3) 最高回転附近になるほど、必要なトルクは比較
的小さくて済むにも拘らず、電動機は高出力で運転さ
れ、この結果、その損失(無負荷損失に起因する)が増
加し、大巾に効率が低下するばかりでなく、電動機の大
きな温度上昇を伴ない、寿命を短くし、信頼性を低下さ
せる。
本発明の目的は、これら従来技術の問題を解決し、排
気エネルギーの回収が常に効率よく得られるようにした
内燃機関の排気エネルギー回収方法を提供することにあ
る。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は、排気エネルギー回収用の電動機を、エン
ジンの回転速度の低速域では定トルク特性に、そして高
速域では低減トルク特性にそれぞれ制御することにより
達成される。
具体的に言えば、上記電動機として誘導電動機を用い
たとすると、一般に誘導電動機等の交流電動機は、その
出力し得るトルクは、任意の同一周波数に於いては、与
えられた電圧の2乗に比例する。
最大トルク∝(電圧) また、その回転数は、周波数にほぼ比例する。
そこで、排気エネルギー回収用電動機の電圧(V)と
周波数(F)の関係を、最高周波数からほぼ1/2附近ま
ではV一定とし、それ以下の周波数ではV/Fをほぼ一定
に制御するようにして上記目的が達成できるようにする
のである。
〔作 用〕
排気タービンの回転(即ち出力)は、排気の強さ(排
気圧力)に比例し、排気の脈動周期に反比例する。従つ
て、内燃機関が低速で、排気周期が長くなつていても、
内燃機関の負荷が重いときは排気圧力が高いので、排気
タービンは高回転となり、該タービンに連結された発電
機からは大きな出力が得られる。
一方動力回収用の電動機は、運転モード時は、一定の
速度比で内燃機関に連結されており、内燃機関の回転数
に比例した回転数となつている。従つて、一般に行なわ
れているように、V/F一定の定トルク特性に制御したの
は、内燃機関の回転数に比例した動力しか回収出来ない
ため、低速時には、発電機の出力が大きく得られるのに
もかかわらず十分な動力回収が出来ない。
又、エンジンの排気エネルギー利用には限度があるか
ら、これから得られる電源容量にも限度があり、従つて
これをいかに有効に利用するかが問題になる。
しかして、発電機の出力は、制御装置により任意の周
波数と電圧の関係に制御出来、このことから、本発明で
は、電動機のトルク特性を上記のように制御し、これに
より、発電機の出力が電動機の中間の回転数でも充分に
利用できるようになり、大きなエネルギーの回収が可能
になる。
すなわち、本発明では、誘導電動機を用いたとすれ
ば、発電機の出力を電動機の使用周波数のほぼ1/2の附
近で最大に利用することが出来、従つて、低速側での電
動機のトルクは従来方式のほぼ2倍のトルクを出し得る
ことになる。
〔実施例〕
以下、本発明による内燃機関の排気エネルギー回収方
法について、図示の実施例により詳細に説明する。
第1図は制御装置としてインバータ機能を有するもの
を用い、これにより誘導電動機を可変電圧,可変周波数
で駆動するようにした、本発明の一実施例で、図におい
て、1は内燃機関(エンジン)で、後述するように、交
流電動機5により始動され、運転に入ると、排気ガスに
よりタービン2が回転し、このタービン2に連結された
交流発電機3を駆動する。
こうして、発電機3により発電された電力は、インバ
ータ機能を有する制御装置4により、適当な周波数と電
圧の電力として調整され、交流電動機(誘導電動機)5
に供給され、これにより電動機5が回転する。
一方、この電動機5は、伝導装置8,9を介して内燃機
関1の出力軸に連結されており、加速,運転モード時に
は両方の出力が加算されるように働く。
また、制動モード時(エンジンブレーキモード時)
は、制御装置4により誘導電動機5を発電機として動作
させ、回生された電力を電圧制御回路10を通してバツテ
リ11に電力として貯えることが出来るようになつてい
る。
ここで、制御装置4のインバータ出力は、その周波数
に対する電圧が第2図の特性Vaで与えられる値を最大と
して、入力電圧(即ち発電機3の出力電圧)によつて制
御されるようになつている。
また、電動機5は加速,運転モードでは常に内燃機関
1に加勢するように動力を発生する必要があり、このた
め、入力検出器7によつて電動機5の入力(即ち制御装
置4のインバータ出力)を検出し、これにより制御装置
4は、あらかじめ設定された入力の最大値以下で、最も
出力が大きくなるよう、そのインバータ出力周波数と電
圧を制御する。
次に、この制御装置4による上記の制御の内容につい
て、さらに詳しく説明する。
発電機4の出力が充分に得られているとき、 この場合には、インバータ出力、つまり電動機5の入
力周波数Fに対する電圧Vの変化を第2図の特性Vaにし
たがつて制御する。即ち、周波数Fが所定値f1より低い
範囲では、電動機5のトルクTaが所定値τの一定値に
保たれる定トルク特性となるように制御し、周波数Fが
所定値f1を超えたら、トルクTaが周波数Fにほぼ反比例
して低下する、いわゆる低減トルク特性となるように制
御するのである。
ここで、このトルクTaの所定値τは、従来例におけ
る定トルクTbのトルク値τの約2倍となつている。
また、周波数Fは内燃機関1の回転数Nに比例してお
り、このことから、所定値f1は内燃機関1の最高回転数
の約1/2である所定値n1に対応した周波数となるように
してある。
そして、以上の結果、このときの電動機5の周波数
(∝回転数)に対する出力Pは、第2図示の特性Paのよ
うになつている。
発電機3の出力が出力特性Paを満足させる値にまで
達していないとき、 この場合には、そのときの周波数で利用可能な最大の
トルクが得られるように電圧Vを制御する。従つて、こ
のときには、第2図のトルク特性Taが下方に平行移動し
た状態のトルクとなる。
ところで、第2図には、従来例(最高回転数で定格出
力が得られるようにしたトルク値による定トルク制御、
つまり、このときのトルク値が得られるようにV/F一定
制御を行なつているもの)のトルク特性Tbと電圧特性Vb
とが並記してある。
そこで、これらと上記実施例の特性とを比較してみる
と明らかなように、この実施例によれば、内燃機関1の
回転数Nが低速の領域において、従来例の約2倍のトル
クを得ることができる。
また、高速領域ではトルクが抑えられるため、電動機
5が過負荷になるのが防止できる。即ち、この実施例に
よれば、発電機出力を制御装置にてコントロールし、電
動機使用周波数範囲のほぼ1/2以上では電圧一定で周波
数が高くなるほどV/Fの値が小さくなるようにしている
から、鉄損も少くなり、高速側であまりトルクを必要と
しない範囲でも高効率で、低速側は周波数が低いからや
はり鉄損はあまり増大せず、しかもほぼ1/2の回転まで
発電機出力をフルに利用し得ることになり、充分に排気
エネルギーの回収が可能になる。
第3図は本発明の一実施例によるトルク特性を従来例
のものと比較して示したもので、図中の特性aは内燃機
関だけの場合、特性bは従来例によるトルク特性、そし
て特性cが本発明の実施例によるものであり、この第3
図から明らかなように、上記実施例によれば、使用時間
率が高い低速領域で大きなトルクを得ることができ、充
分に効率の良いトルク特性を与えることができる。
さらに、上記実施例では、回転検出器6が設けてあ
り、これにより制御装置4は内燃機関1の回転数を取り
込み、この回転数に見合うように電動機5の周波数を或
る限度内に制限するようになつており、この結果、電動
機5の過負荷を充分に抑えることができる。
ところで、上記実施例では、電動機5が伝導装置8,9
を介して内燃機関1に結合されている。
そこで、上記したように、この電動機5を始動電動機
として兼用させ、電動機5により内燃機関1始動するよ
うになっており、このため、制御装置4は、インバータ
により、バッテリ11の電力を所定の周波数と電圧の交流
電力に変換し、これを電動機5に供給して内燃機関1を
始動するようになっている。なお、これを始動モードと
いう。
〔発明の効果〕
本発明によれば、以下に列挙する効果を得ることがで
きる。
(1) よりトルクを必要とする低速側で、同一容量発
電機電源でほぼ2倍のトルクを得ることが出来、自動車
等の加速性が大巾に向上する。
(2) 電動機の高速側ではトルクが小さくても効率が
よく、損失が少いので温度上昇も低く長寿命で信頼性が
高い。
(3) 低速側でトルクが大きいから、同一走行速度に
対してエンジンと推進軸との変速比を大きくとれ、エン
ジンの回転は更に低くてすみ、大巾に燃料節約となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による内燃機関の排気エネルギー回収方
法の一実施例を示すブロツク図、第2図は動作説明用の
特性図、第3図は同じくトルク特性図、第4図は一般的
な内燃機関のトルク特性図、第5図は自動車における一
般的な回転数使用範囲を示す特性図である。 1……内燃機関、2……排気タービン、3……交流発電
機、4……制御装置、5……交流電動機、6……回転検
出器、7……入力検出器、8,9……伝導装置、10……電
圧制御回路。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内燃機関の排気ガスで駆動されるタービン
    発電機と、上記内燃機関と動力伝達状態で連結された誘
    導電動機とを備え、上記タービン発電機の発電電力によ
    り上記誘導電動機を駆動するようにした内燃機関の排気
    エネルギー回収方法において、 可変電圧可変周波数のインバータを含み、始動モード
    と、加速・運転モードと、制動モードの3種の制御モー
    ドで動作する制御装置を設け、 該制御装置を、 上記始動モードでは、バッテリからの電力を上記インバ
    ータにより交流電力に変換して上記誘導電動機に供給
    し、上記内燃機関を始動させるように構成し、 上記加速・運転モードでは、上記タービン発電機の発電
    電力により上記誘導電動機を駆動させ、このとき、上記
    内燃機関の回転速度可変範囲内の低速領域では、上記誘
    導電動機を、電圧一定で周波数だけを変化させる定トル
    ク特性で動作させ、高速領域では、電圧と周波数の比率
    を一定に保って双方を変化させる低減トルク特性で動作
    させるように構成し、 上記制動モードでは、上記誘導電動機を発電動作状態に
    制御し、該誘導電動機から回生された電力を上記バッテ
    リに充電させるように構成したことを特徴とする内燃機
    関の排気エネルギー回収方法。
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