JPH0543853B2 - - 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を
回収する排気エネルギー回収装置に関する。

（従来の技術） 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
力を発生し、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。

ところで、最近内燃機関の各部たとえば排気マ
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内燃機関が開発され
ている。この内燃機関は、従来の如くその内部に
発生した熱を放熱して内燃機関を冷却するという
ことを行なわず、従来のものよりも高熱の排気ガ
スを取り出してこのエネルギーをクランク軸に帰
還させて運転効率を高めようとするものであつ
て、従来から行なわれていものを説明すると、排
気ガスにより回転されるタービンを排気口近くに
配置せしめておき、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が、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、かつ伝達効率が悪いため、内燃機関全体
の値段を効果のものにするばかりか運転効率もあ
まり良くなく、部分負荷では使用できずあまり有
効なものではなかつた。

このため、特開昭58−214615号公報（以下、公
知例という）には、次のような交流発電機と直流
発電機を用いた排気エネルギー回収装置が提案さ
れている。

第４図は、公知例の概略構成を示すブロツク図
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が回転可能に配置さ
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置した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、回転子は細かくかつ回転軸
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。又、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。ま
た、５はシリコン整流素子をブリツジ結合せしめ
た整流回路、８はスイツチングレギユレータであ
り、整流回路５の直流出力電流の安定化を計り、
直流発電機７を効率良く安定して駆動できるよう
に作動する。直流電動機７の回転軸は、２枚の歯
車７ａ，７ｂを会してエンジン１の回転軸１ａと
連結している。

次に、公知例の動作について説明する。

エンジン１の回転数が漸次上昇すると、交流発
電機４の出力発圧も上昇し、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。

（発明が解決しようとする問題点） 上記の如き従来の排気エネルギー回収装置に装
備された排気タービンは、たとえばエンジンが定
速、高負荷で回転して、排気ガス量が多い動作条
件にて円滑に作動するように設計されているた
め、エンジンが低速回転しているようなときに
は、排気タービンを回転駆動するための絶対的な
排気ガス量が不足し、排気タービンが円滑に回転
しなくなり、発電機を駆動することが出来ないと
いう不都合がある。

このような欠点を改善するため、タービンブレ
ードに当る排気ガスの速度を変化させるための調
節機構をノズル部に設け、エンジンの高負荷回転
時から低負荷回転時まで自由に対応できるように
したものがあるが、構造が複雑であり、あまり実
用的なものではない。

そこで、本発明の目的は、エンジンの排気ガス
の持つエネルギーをタービン発電機にて回収する
排気エネルギー装置において、簡単な構造でエン
ジンの低速時から高回転時まで、的確に排気ガス
からエネルギーを回収できるような新規な装置を
提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明の排気エネルギー回収装置は、エンジン
の排気ガスにて回転駆動される第１のタービン
と、該第１のタービンと同軸に結合され、かつ該
第１のタービンより小容量のスクロールを有する
第２とのタービンと、これらタービン回転軸に直
結されこれらタービンの回転駆動で得られる発電
機と、排気ガスの流量に応じてそれぞれ第１及び
第２のタービンへの排気ガス供給を制御するガス
制御手段とを有することを特徴とするものであ
る。

（作用） 本発明は、エンジンの排気管後端に二連式ガス
タービン室を配置しており、この内部にスクロー
ルとブレードの大きさが異なるタービンと超高速
で回転可能な交流機とを一体的に構成した発電機
を設け、エンジンの負荷状態に応じてタービン室
への二つの排気通路を開閉する。そして、発電さ
れた電力が供給されるバツテリの充電状態に応じ
て発電量を制御するコントローラを設けているの
で、排気エネルギーを効率良く電力に変換するこ
とができる。また、このコントローラは交流電圧
を直流電圧に変換する電圧変換器と電気エネルギ
ー分配器とを兼ねており、バツテリ及び直流負荷
への給電制御が精度よく行なわれる。

（実施例） 以下、図により本発明の実施例について説明す
る。

第１図は、本発明の概略構成図である。図にお
いて、エンジンａは、公知例と同様にシリンダラ
イナー、シリンダヘツド断熱板、排気バルブ、ピ
ストン等にセラミツクスを使用した断熱式の構成
とし、排気マニホールドｂの外壁もセラミツクス
を使用して断熱構造としている。排気マニホール
ドｂの先端には、ハウジングｃ内に設けた超高速
タービンｄを接続する。超高速タービンｄ内には
排気タービンブレードｅが回転可能に取付けられ
ている。

第２図は、本発明の超高速タービンｄの詳細な
構造を示す説明図であり、図に示すように、超高
速交流機ｉの回転子を挟んで両側に大容量スクロ
ールj₁、大容量タービンd₁と、小容量スクロール
j₂、小容量タービンd₂とを設けて二連式タービン
室の構成とした発電機が示されている。

再び第１図に戻り、コントローラｆは、電圧変
換器（交流電圧を直流電圧に変換）と電気エネル
ギー分配器とを兼用しており、超高速交流機ｉで
発生した交流電圧を直流電圧に変換した後、スイ
ツチングレギユレータによりバツテリｇの充電
と、負荷への給電を行なうと共にバツテリからの
負荷ｈへの給電の制御を行なう。また、エンジン
の負荷状態に応じて二連式タービン室への通路の
切換制御を行なう。

なお、排気タービン及び発電機を収納するハウ
ジングは、排気マニホールドと一体的に構成され
ている。すなわち、本願発明に係る排気エネルギ
ー回収装置は、エンジンａに設けられる排気マニ
ホールドｂと不可分のものであり、コンパクト化
されている。

次に、本発明の動作について説明する。

エンジンａが回転を始めて、排気マニホールド
より高温の排気ガスが超高速タービンに排出され
ると、コントローラにより、二連式タービン室へ
の通路の切換を行ない、超高速交流機ｉは大容量
タービンd₁または小容量タービンd₂のいずれかに
より駆動されて発電を開始する。この際に、コン
トローラｆは、バツテリｇの充電状態を検出し
て、スイツチングレギユレータを調整し、励磁電
流を変えて交流機の発電量を適当な値に制御す
る。

また、バツテリスイツチをオンすることにより
バツテリから負荷への給電が行なわれるが、コン
トローラにより、交流機で発生された交流電力を
直流に変換して、バツテリの充電および負荷への
給電量を制御する。

第３図は、主としてバツテリへの充電制御の処
理手順を示すフローチヤートである。次に、この
フローチヤートについて説明する。

ストツプS₁でバツテリ比重を、ステツプS₂でバ
ツテリ温度をチエツクし、ステツプS₃でバツテリ
電圧を測定する。次に、ステツプS₄で交流機の発
電出力を測定し、ステツプS₅でスイツチングレギ
ユレータのデユーテイを測定する。この際に、ス
イツチングレギユレータの電圧は、例えばバツテ
リ電圧より＋0.5V大きく設定する。

ステツプS₆で負荷電力Ｗが０よりも大きいかど
うかをチエツクし、判定がNOの場合、即ち、負
荷がまだ付勢されておらず負荷への給電が不要で
あれば、次に、バツテリ充電率VEが所定条件、
例えばVE＜0.75を満足しているかどうかをステ
ツプS₇でチエツクし、判定がYES、即ち、バツ
テリへの急速充電が必要な場合には、ステツプS₈
でスイツチングレギユレータのデユーテイを増加
して交流機の励磁電流を増加させ、交流機の発電
出力を大きくしてから、ステツプS₉でバツテリ充
電スイツチをオンにして、バツテリの急速充電を
行なう。

ステツプS₆の処理において、負荷電力が０より
も大きいこと、即ち、負荷が付勢されていること
が確認されると、ステツプS₁₀で、発電量と負荷
電力とが比較され、発電量の方が大きい場合、お
おびステツプS₇の処理で、バツテリ充電率VE＜
0.75の条件が満足されない場合には、次に、ステ
ツプS₁₁でバツテリ充電率VEが1.0よりも小さい
かどうかがチエツクされる。この条件が満足され
ると、ステツプS₁₂でバツテリスイツチをオフに
してから、ステツプS₁₃でバツテリ充電スイツチ
をオンして、通常のバツテリ充電を行なう。

ステツプS₁₀の処理において、発電量が負荷電
力よりも小さい場合には、ステツプS₁₄でバツテ
リスイツチをオンにしてバツテリより負荷に給電
し、次に、ステツプS₁₅にてエンジン回転数が所
定回転数、例えば1000RPMよりも低いかどうか
チエツクする。判定がYESであれば、ステツプ
S₁₆でスクロール変換弁作動オンとし、ステツプ
S₁₇′で燃料流量を増加させてエンジンの出力を上
昇させることにより交流機の発電量を増大させ
る。次に、ステツプS₁₇で発電量が負荷電力より
も大きいことが確認されると、ステツプS₁₈で燃
料弁を停止する。また、ステツプS₁₅の処理にお
いて、エンジン回転数が1000RPMよりも低くな
いことが確認されると、ステツプS₁₉でのスクロ
ール弁を開放する。

なお、図示しないが、コントローラは電子回路
等で構成され、バツテリ充電電圧や負荷への給電
電力を所定の値に制御し、また、エンジン負荷状
態に応じて二連式タービン室への通路の開閉制御
を行なう。

以上、本発明の一実施例について説明したが、
上記実施例の説明が本発明の装置の好ましい一例
であつて、本発明により、その精神と主旨とを逸
脱しない範囲で種々の変形と応用が実施可能であ
ることは、当該分野の技術を有するものであれば
理解できよう。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明は、エンジンの排
気マニホールド先端に、タービンと超高速で回転
可能な交流機を一体的に構成した発電機を設け、
交流機の回転子を挟んで両側にスクロール、ブレ
ードの異なる二連式タービン室を設けて、エンジ
ンの負荷状態に合わせて両通路を開閉することに
より発電量を制御するので、エンジンの負荷状態
に応じた最適の電力が得られ、効率良く排気エネ
ルギーを電力に変換できる。

また、発電機出力は、電圧変換器と電気エネル
ギー分配器とを兼用したコントローラによりバツ
テリの充電と負荷への給電に用いられ、エンジン
軸に直結された直流電動機を負荷するよりも構成
が簡単になる。

さらに、バツテリの充電状態に応じて発電量を
適正に制御するので、効果的に排気エネルギーを
利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の概略構成図、第２図は要部の
構成図、第３図はフローチヤート、第４図は従来
例の構成図である。 ａ……エンジン、ｂ……マニホールド、ｃ……
ハウジング、ｄ……超高速タービン、ｅ……排気
タービンブレード、ｆ……コントローラ、ｇ……
バツテリ、ｈ……負荷、ｉ……超高速交流機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ エンジンの排気ガスにて回転駆動される第１
   のタービンと、該第１のタービンと同軸に結合さ
   れ、かつ該第１のタービンより小容量のスクロー
   ルを有する第２のタービンと、これらタービン回
   転軸に直結されこれらタービンの回転駆動で得ら
   れる発電機と、排気ガスの流量に応じてそれぞれ
   第１及び第２のタービンへの排気ガス供給を制御
   するガス制御手段とを有することを特徴とする排
   気エネルギー回収装置。 ２ 前記エンジンの排気管の一部にこれと一体的
   にタービン及び発電機を組込んだことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の排気エネルギー
   回収装置。