JPH0647936B2

JPH0647936B2 - タ−ボコンパウンドエンジン

Info

Publication number: JPH0647936B2
Application number: JP60233936A
Authority: JP
Inventors: 英男河村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1985-10-19
Filing date: 1985-10-19
Publication date: 1994-06-22
Anticipated expiration: 2009-06-22
Also published as: JPS6293430A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は内燃機関の排気エネルギーを回生させることの
可能なターボコンパウンドエンジンに関するものであ
る。

（従来の技術）近年、内燃機関の各部、例えば燃焼室や排気管などの部
分にセラミックスを使用した断熱構造の内燃機関が開発
されている。この種、内燃機関によれば、内部に発生し
た熱を放熱して内燃機関を冷却する必要がなく、発生し
た高温度の排気ガスの持つエネルギーを回生させて内燃
機関の出力向上に利用できる。

排気エネルギーの回生方法としては従来から排気ガスに
より回転されるタービンの回転力を、多段の歯車機構に
より減速してクランク軸に帰還させるものが知られてい
る。

また、特開昭５８−２１４６１５号公報にて、排気ター
ビンの軸に交流発電機の回転軸を直結し、エンジンの軸
には直流電動機の回転軸を結合して、交流発電機にて発
生する電気エネルギーにより直流電動機を駆動して、エ
ンジン出力とするエンジンの排気エネルギー回収装置の
提案がなされている。

（発明が解決しようとする問題点）このような排気エネルギーの回生方法において、前者の
歯車機構を用いてクランク軸に回転力を帰還させる方法
は、歯車の伝達効率を考慮すると、例えば通常一段でそ
の効率は０．９〜０．９５であるので、三段の減速では
約８０％に効率が低下し、また、歯車機構が複雑になる
ので、そのコストも高くなる欠点を生ずる。

つぎに後者の排気エネルギー回収装置の提案では、排気
タービンのタービン軸に交流発電機を直結し、エンジン
の回転軸には直流電動機を結合して、交流発電機よりの
電気エネルギーにて直流電動機を回転させてエンジンの
出力軸に帰還するので、排気エネルギーの回収は行われ
るが、直流電動機の制御が十分に行われない問題点が生
ずる。

本発明は、これらの従来の問題点に鑑みてなされたもの
であり、その目的は排気エネルギーを排気タービンに直
結した交流発電機により電気エネルギーに変換し、該電
気エネルギーをクランク軸の回転数に対応させて制御し
て、遊星歯車機構を介してクランク軸と結合した電動機
を駆動し、排気エネルギーの回生を計るターボコンパウ
ンドエジンを提供するにある。

（問題点を解決するための手段）本発明によれば、内燃機関の排気管途中に設けられた第
１の排気タービンと、該第１の排気タービンの回転軸に
取り付けられた吸気助勢用のコンプレッサと第１の発電
機と、前記第１の排気タービンの下流に設けられた第２
の排気タービンと、該第２の排気タービンにより駆動さ
れる第２の発電機と、前記内燃機関の回転軸と遊星歯車
機構を介して連結する発電・電動機と、前記内燃機関の
回転軸と発電・電動機との回転数比切換用で前記遊星歯
車機構に付設されたクラッチ機構と、内燃機関の回転軸
に連結されるフライホイールの回転数を検出する回転セ
ンサと、前記第１と第２の発電機の発電電力と前記回転
センサの回転数信号とから内燃機関と電動・発電機の回
転数比によりクラッチ機構のオン・オフ制御を行うオン
・オフ制御手段と、電動・発電機を力行運転する第１の
回転機制御手段と、内燃機関の運転状態から電動・発電
機を発電機運転する第２の回転機制御手段と、を有する
ことを特徴とするターボコンパウンドエンジンが提供さ
れる。

（作用）排気ガスのエネルギーによって駆動される排気タービン
に設けた発電機の出力は、内燃機関のフライホールの回
転数を検出する回転数によって制御され、フライホイー
ルを回転させる電動機を駆動し、常にフライホイールの
回転数に対応してその回転力を助勢するので、排気エネ
ルギーが効率よく回生されて、内燃機関の出力を向上さ
せる。

また、前記電動機がフライホイールの回転を助勢する伝
達機構として、複数の減速比を有する遊星歯車機構を用
いたので、電動機の出力特性を効率よくフライホイール
に伝達することができる。

さらに、前記電動機の界磁巻線を切換えて発電機として
作動可能に構成したので、エンジンブレーキ時にはブレ
ーキ力を電気エネルギーとして回収でき、そのエネルギ
ーにてバッテリの充電が可能である。

（実施例）つぎに本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。

第１図は本発明に係るターボコンパウンドエンジンの一
実施例を示す構成説明図であり、第２図は本実施例に使
用の遊星歯車機構の一例を示す構成説明図である。

第１図において、１は断熱構造を備えた内燃機関であ
り、図示していないピストン、シリンダライナなどの燃
焼室と、排気ポートがセラミックスを用いた断熱構造を
形成し、排気マニホールド２には交流発電機Ａ４を有す
るターボチャージャ３が取付けられている。

ターボチャージャ３の回転軸には、タービンブレード３
ａと、交流発電機Ａ４のロータ４ａと、コンプレッサブ
レード３ｂとが同軸上に直結して設けられている。そし
て、排気マニホールド２からの排気ガスによりタービン
ブレード３ａが駆動されると、コンプレッサブレード３
ｂは吸気管１ａに過給気を圧送するとともにロータ４ａ
が駆動される。ロータ４ａは強力な残留磁気を持つ永久
磁石よりなり、対向するステータ４ｂに電磁誘導によっ
て交流電力を発生し、該交流電力は整流器４ｃにて整流
されてインバータ５に送出される。

一方、ターボチャージャ３の排気口３ｃにはタービンブ
レード６ａを有する排気タービン６が接続され、タービ
ンブレード６ａと同軸上に交流発電機Ｂ７のロータ７ａ
が設けられている。そして、ターボチャージャ３の排気
口３ｃからの残留エネルギーを持つ排気ガスによって、
タービンブレード６ａが駆動されると、永久磁石を有す
るロータ７ａの回転により対応して設けられたステータ
７ｂの巻線に交流電力が誘起され、接続されている整流
器７ｃに入力されて直流となり、この直流電力はインバ
ータ５に送電される。

内燃機関１のフライホイール１ｃの外周には大ギヤ１ｄ
が設けられ、該大ギヤ１ｄは後述する遊星歯車機構８の
外部となる内ギヤ８ａと同軸に設けられた小ギヤ８ｂと
噛合する。

第２図に示す遊星歯車機構８は軸心となる誘導電動機９
のロータ軸９ａにサンギヤ８ｃが設けられ、該サンギヤ
８ｃを囲んで噛合する複数個の遊星ギヤ８ｄがケージ８
ｅに取付けられ、さらに、内ギヤ８ａとも噛合するよう
に構成されている。

また、遊星ギヤ８ｄのシャフト８ｆにはサンギヤ８ｃと
遊星ギヤ８ｄとを固定する手段となる磁性体よりなるク
ラッチシュー８ｇが取付けられ、ロータ軸９ａに設けた
電磁コイル９ｂに通電されると、クラッチシュー８ｇは
吸引され、ケージ８ｅがロータ軸９ａに対して回動しな
いので、遊星歯車機構８の外周に設けた小ギヤ８ｂはロ
ータ軸９ａと同一の回転を行なうことになる。したがっ
て、電磁コイル９ｂに通電のないときは、遊星歯車機構
８による所定の比率にてロータ軸９ａの回転数が減速さ
れて小ギヤ８ｂの歯車軸を回転し、さらに、小ギヤ８ｂ
と大ギヤ１ｄの歯車比により、フライホイール１ｃを回
転するが、電磁コイル９ｂに通電されると、ケージ８ｅ
が固定されるので、小ギヤ８ｂと大ギヤ１ｄの歯車比の
みの減速比にてロータ軸９ａはフライホイール１ｃを回
転することになる。なお、この電磁コイル９ｂに対して
通電或いは通電遮断してクラッチシュー８ｇの吸引、吸
引解除動作を行わしめる機能実現手段を、オン・オフ制
御手段という。

第１図において、１０はフライホイール１ｃの回転数検
出手段となる回転センサであり、検出信号をインバータ
５に送出する。この検出信号を受信したインバータ５
は、直流に整流された交流発電機Ａ４および交流発電機
Ｂ７の電力を、検出信号に対応する周波数の交流電力に
制御して、誘導電動機９に送電する。そして、フライホ
イール１ｃの回転が遅いときは、検出信号により制御さ
れる交流の周波数が低いので、誘導電動機９の回転も遅
いながら前記の歯車機構８を介してフライホイール１ｃ
の回転力を助勢する。また、フライホイール１ｃが高回
転のときは、インバータ５の交流出力の周波数が高くな
るように検出信号により制御されて誘導電動機９を駆動
し、歯車機構を介して高回転のフライホイール１ｃの回
転力を助勢するように、フライホイール１ｃの回転の高
低に対応して、つねにその回転力を増強するように誘導
電動機９によって助勢される。なお、誘導電動機９を力
行運転させる機能実現手段を第１の回転機制御手段とい
う。

つぎに、１２はレギュレータ、１２は整流器、１４はバ
ッテリであり、車両の運転状況により内燃機関１がエン
ジンブレーキ作動のときに、図示していないが、クラッ
チペダル、アクセルペダルおよび車速を検出するそれぞ
れのセンサからの入力信号により、コントローラ１１が
作動して誘導電動機９の界磁巻線を切換えて、誘導発電
機として作動させ、レギュレータ１２に発電した交流電
力を送るように構成されている。そして、この交流電力
を整流器１３に入力して直流となし、バッテリ１４を充
電する。なお、誘導電動機９の界磁捲線を切り換えて、
これを誘導発電機として作用させる機能実現手段を第２
の回転機制御手段という。

また、１５はインバータであり、内燃機関１の始動時に
回転センサ１０の検出信号により、バッテリ１４からの
直流を制御して所定周波数の交流電力となし、誘導電動
機９に供給して前記歯車機構を介して内燃機関１を駆動
するものである。

つぎに、このように構成された本実施例の作動を説明す
る。

断熱構造を持った内燃機関１からの高温の排気ガスは排
気マニホールド２を通じてターボチャージャ３に導か
れ、タービンブレード３ａを駆動してコンプレッサブレ
ード３ｂと、交流発電機Ａ４のロータ４ａを回転させ
る。このため、吸気管１ａには過給気が圧送され、ステ
ータ４ｂよりの交流電力は整流器４ｃにて整流されて直
流となりインバータ５に送電される。

一方、タービンブレード３ａを駆動して排気口３ｃから
排出される残留エネルギーを持った排気ガスは、排気タ
ービン６に導かれてタービンブレード６ａを駆動する。
そして、交流発電機Ｂ７のロータ７ａを回転させ、ステ
ータ７ｂが誘起した交流電力を整流器７ｃに導き、直流
に変換してインバータ５に送電し、前記の整流器４ｃか
らの直流とともに、インバータ５によって所定の方法で
電力が加え合わせられる。

インバータ５にはフライホイール１ｃの回転数を検出し
て検出信号を発する回転センサ１０からの検出信号が送
られているので、加え合わせられた直流電力は、この検
出信号に対応する周波数の交流電力に変換される。すな
わち、フライホイール１ｃの回転が遅いときは、交流電
力の周波数も低く、フライホイール１ｃの回転が速い
と、交流周波数も高くなる。そして、フライホイール１
ｃは遊星歯車機構８を介して、上記の交流電力で駆動さ
れる誘導電動機９にて回転されるので、フライホイール
１ｃは常にその回転数に応じ、誘導電動機９によって回
転力が助勢されることになる。

また、誘導電動機９とフライホイール１ｃとの間の動力
伝達には遊星歯車機構８を備え、その遊星ギヤ８ｄをサ
ンギヤ８ｃの設けてあるロータ軸９ａに固定する手段で
ある電磁コイル９ｂ、クラッチシュー８ｇを設けたの
で、これらの作動により、遊星歯車機構８の減速比が複
数段に可変できる。したがって、誘導電動機８の出力特
性に応じて、遊星歯車機構８の減速比を制御して、能率
よく、フライホイール１ｃの回転力を助勢して、内燃機
関１の出力を増強することが可能である。

つぎに、エンジンブレーキ作動時には、アクセルペダ
ル、クラッチペダル、および車速センサからの信号がコ
ントローラ１１に入力されると、誘導電動機９の界磁巻
線を切換えて誘導発電機として、フライホイール１ｃか
らの回転力を電気エネルギーに変換して発電し、レギュ
レータ１２、整流器１３を介してバッテリ１４を充電し
て、電気エネルギーを蓄える。

また、内燃機関１の始動時には、バッテリ１４からの直
流電力をインバータ１５にて交流となし、誘導電動機９
を駆動して、遊星歯車機構８を介してフライホイール１
ｃを回転させて、回転機関１を始動させる。このとき、
回転センサ１０の検出信号が入力されているインバータ
１５では、バッテリ１４の直流を始動に適切な周波数の
交流に変換するとともに、遊星歯車機構８の電磁コイル
９ｂは作動させずに減速比を大として、誘導電動機９を
駆動して効率よい始動操作を行う。

次に、誘導電動機９を発電機に切り変えて使用する際の
制御について、第３図のフローチャートにより説明す
る。

誘導電動機９を電動機として駆動する場合には、スター
トスイッチをオンにし（ステップＰ_１）、コントローラ
１１によりクラッチの電磁コイル９ｂをオフにして減速
比を大きく設定する（ステップＰ_２）。次に、コントロ
ーラ１１で誘導電動機９を電動機駆動に切り換え（ステ
ップＰ_３）、バッテリ１４の電力をインバータ１５に給
電し、インバータ１５はコントローラ１１により所定の
電圧と周波数で動作する（ステップＰ_４）。インバータ
１５の出力側からは三相交流電圧が得られそれが誘導電
動機９に印加されるので、内燃機関１のクランク軸が回
転を始める。誘導電動機９の回転軸の位置を検出するポ
ジションセンサの出力信号もコントローラ１１に入力さ
れ（ステップＰ_５）、コントローラ１１からは、内燃機
関１の回転状態に応じて誘導電動機９を駆動するために
必要な位相制御信号がインバータ１５に出力される（ス
テップＰ_６）。

ポジションセンサの出力信号がない場合、即ち誘導電動
機９の回転が停止した場合には、バッテリ１４の出力電
力を検出し（ステップＰ_７）、バッテリ１４の出力電圧
が設定電力Ｗｃを越えると（ステップＰ_８）、警報ラン
プなどを動作させ（ステップＰ_９）、内燃機関１は自力
で回転する（ステップＰ_１０）。内燃機関１が自力で回
転しない場合には、ステップＰ_１以下の処理を繰返す。

次に、内燃機関１の回転を停止させる場合には、コント
ローラ１１からの信号により電磁コイル９ｂに通電して
減速比を小さく設定する（ステップＰ_１１）。続いて、
内燃機関１を負荷から切り離してエンジン負荷がゼロに
なったかどうかをチェックする（ステップＰ_１２）。エ
ンジン負荷がゼロにならない間はステップＰ_３以下の処
理を繰返し、エンジン負荷がゼロになれば、コントロー
ラ１１で誘導電動機９を発電機駆動に切り換える（ステ
ップＰ_１３）。このとき、レギュレータ１２、整流器１
３は、発電機として動作する誘導電動機９からの電力を
直流に変換してバッテリ１４に給電するように動作し
（ステップＰ_１４）、ポジションセンサからの検出信号
に応じて（ステップＰ_１５）、コントローラ１１では誘
導電動機９の位相制御を行なう（ステップＰ_１６）。こ
のように誘導電動機９を発電機として作動させることに
より、内燃機関１のブレーキ力を変換して電力をバッテ
リ１４に蓄積する。

コントローラ１１にてポジションセンサからの出力信号
が得られない場合、即ち、誘導電動機９の回転が停止し
ている場合には、電力積分器などで積分電力量を検出し
（ステップＰ_１７）、該電力量Ｗが設定値Ｗｍよりも小
さい場合、即ちバッテリ１４の電圧の方が高い場合に
は、ステップＰ_３以下の処理に移行し、電力量Ｗが設定
値Ｗｍよりも大きい場合には、レギュレータ１２の動作
を停止する（ステップＰ_１９）。

なお、本発明を一実施例により説明したが、本発明の主
旨の範囲内で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）本発明によれば排気ガスのエネルギーによって駆動され
る排気タービンに設けた発電機の出力は、内燃機関のフ
ラーホイールの回転数を検出する回転数によって制御さ
れ、フライホイールを回転させる電動機を駆動し、常に
フライホイールの回転数に対応してその回転力を助勢す
るので、排気エネルギーが効率よく回生されて、内燃機
関の出力を向上させる。また、前記電動機がフライホイ
ールの回転を助勢する伝達機構として、複数の減速比を
有する遊星歯車機構を用いたので、電動機の出力特性を
効率よくフライホイールに伝達することができる。ま
た、車両の減速又は停止時にはブレーキ力を発電電力に
変換してバッテリに蓄積するのでエネルギの変換効率が
向上する。すなわち、電動機は界磁巻線を切換えること
により発電機としても作動するので、エンジンブレーキ
時にはブレーキ力を電気エネルギーに変換できてバッテ
リの充電が行え、エネルギーの回収が可能である。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明に係るターボコンパウンドエンジンの一
実施例を示す構成説明図、第２図は本実施例に使用の遊
星歯車機構の一例を示す構成説明図、第３図は電動機を
作動させるための制御フローを示す図である。１……内燃機関、２……排気マニホールド、３……ター
ボチャージャ、４……交流発電機Ａ、５……インバー
タ、７……交流発電機Ｂ、８……遊星歯車機構、８ａ…
…内ギヤ、８ｃ……サンギヤ、８ｄ……遊星ギヤ、８ｇ
……クラッチシュー、９……誘導電動機、９ｂ……電磁
コイル、１０……回転センサ、１１……コントローラ、
１２……レギュレータ、１３……整流器、１４……バッ
テリ、１５……インバータ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気管途中に設けられた第１の
排気タービンと、該第１の排気タービンの回転軸に取付けられた吸気助勢
用のコンプレッサと第１の発電機と、前記第１の排気タービンの下流に設けられた第２の排気
タービンと、該第２の排気タービンにより駆動される第２の発電機
と、前記内燃機関の回転軸と遊星歯車機構を介して連結する
発電・電動機と、前記内燃機関の回転軸と発電・電動機との回転数比切換
用で前記遊星歯車機構に付設されたクラッチ機構と、内燃機関の回転軸に連結されるフライホイールの回転数
を検出する回転センサと、前記第１と第２の発電機の発電電力と前記回転センサの
回転数信号とから内燃機関と電動・発電機の回転数比に
よりクラッチ機構のオン・オフ制御を行うオン・オフ制
御手段と、電動・発電機を力行運転する第１の回転機制御手段と、内燃機関の運転状態から電動・発電機を発電機運転する
第２の回転機制御手段と、を有することを特徴とするターボコンパウンドエンジ
ン。
【請求項２】前記第１の回転機制御手段は前記第１と第
２の発電機の発電電力を用いて電動・発電機の力行運転
制御を行うことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
のターボコンパウンドエンジン。
【請求項３】前記第１の回転機制御手段は、内燃機関の
始動制御手段を含むことを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載のターボコンパウンドエンジン。
【請求項４】前記第２の回転機制御手段は、内燃機関の
発電制動手段を含むことを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載のターボコンパウンドエンジン。