JPH06102970B2 - 内燃機関の排気ガスエネルギ回収装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、内燃機関から排気ガスとして大気中に排出さ
れる排気ガスエネルギを電気に変換して回収する内燃機
関の排気ガスエネルギ回収装置に関する。

（従来の技術） 従来、内燃機関の排気ガスエネルギ回収装置としては、
例えば、特開昭60-135618号公報に記載されているよう
な装置が知られている。

この従来装置Ｂは、第２図に示すように、内燃機関100
の排ガスでターボチャージャー101を回転させ前記内燃
機関100の出力を増大させるようにした内燃機関補助発
電装置において、前記ターボチャージャー101の排ガス
で回転する回収タービン102と、該回収タービン102の軸
動力で減速機103を介して駆動される補助誘導発電機104
を備え、該誘導発電機104の出力電源側に可変電圧可変
周波数インバータ105を接続すると共に、該インバータ1
05の出力電源側を主発電機106の出力エーブル107側に接
続し、前記インバータ105の電源回生モードを利用して
前記誘導発電機104の出力が定格以内でかつ回収動力に
適合するよう前記インバータ105を制御することにより
前記主発電機106の出力を増加させるようにしたことを
特徴とするものであった。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来装置にあっては、内燃機
関の排気系に、ターボチャージャーと回収タービンとが
設けられることになるため、これらのタービン類が排気
系の排気抵抗を増大させてしまい、排気抵抗による排気
圧力の上昇に伴なって内燃機関の機関出力損失が発生
し、全体的なエネルギ勘定を行なうと、回収タービンに
より電気として回収される排気ガスエネルギから排気圧
力による機関出力損失を差し引いた分だけが有効回収排
気ガスエネルギとなり、具体的な設計等により異なる
が、実用化されていないことからも明らかなように、最
良の設計をしたとしても非常にわずかのエネルギが回収
されるにすぎないという問題点があった。

つまり、排気圧力が上昇すると、内燃機関の排気行程で
燃焼室内に残留する残留燃焼ガスのガス密度が高まり、
そのためにシリンダ内に多くの燃焼ガスが残留すること
になり、排気行程に引き続いて行なわれる吸気行程での
混合気の吸入量が残留燃料ガス分だけ減量されて機関出
力損失となる。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上述のような問題点を解決すること、すなわ
ち、排気圧力による機関出力損失を抑えながらエンジン
供給エネルギの30％前後にも達する排ガスエネルギを有
効に電気エネルギとして回収することを目的としてなさ
れたもので、この目的達成のために本発明では、内燃機
関の排気系に設けられる排気ガスタービンと、該排気ガ
スタービンの回転軸に連結される発電機とを備えた内燃
機関の排気ガスエネルギ回収装置において、前記排気ガ
スタービンの下流位置に、冷却媒体を導くことで排気ガ
スを冷却させる排気ガス冷却器を設けたことを特徴とす
る手段とした。

（作用） 従って、本発明の内燃機関の排気ガスエネルギ回収装置
にあっては、上述のような手段としたことで、排気系へ
の排気ガスタービンの設置による排気抵抗の増大にかか
わらず、排気ガスは排気系に設けた排気ガス冷却器によ
りその温度が降下し、温度降下による排気ガスの体積縮
小で排気圧力の上昇が抑えらえることになる。

このように、排気圧力の上昇が抑制されることで、排気
ガスタービン付加による機関出力損失が減少し、排気ガ
スタービンの回転により得られる発電機での発電量がほ
ぼ有効回収排気ガスエネルギとなり、排気ガスエネルギ
からのエネルギ回収率を高めることができる。

また、排気ガス冷却器より下流の排気系を流通する排気
ガスの流速が小さくなることで、排気音を低減させるこ
とができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面により詳述する。尚、この
実施例を述べるにあたって、自動車用エンジンの排気ガ
スエネルギ回収装置を例にとる。

まず、実施例の構成を説明する。

実施例の排気ガスエネルギ回収装置Ａは、第１図に示す
ように、エンジン（内燃機関）１、排気マニホールド
２、マニホールドコンバータ３、タービン入口側排気管
４、タービン出口側排気管５、バイパス排気管６、主排
気管７、排気ガスタービン８、オルタネータ（発電機）
９、レギュレータ10、バッテリー11、圧力センサ12、ア
クチュエータ作動回路13、バルブアクチュエータ14、バ
イパスバルブ15、排気ガスクーラ（排気ガス冷却器）1
6、エアブロア17、冷風管18、負荷19,20,21を備えてい
る。

前記エンジン１の排気系は、排気マニホールド２、マニ
ホールドコンバータ３、タービン入口側排気管４、ター
ビン出口側排気管５、バイパス排気管６、主排気管７を
含んで構成され、前記タービン入口側排気管４とタービ
ン出口側排気管５との間には、排気ガスタービン８が設
けられ、前記バイパス排気管６には、バイパスバルブ15
が設けられ、前記タービン出口側排気管５及びバイパス
排気管６と主排気管７との間には、排気ガスクーラ16が
設けられている。

前記排気ガスタービン８は、タービン入口側排気管４か
らの排気ガスエネルギを受けて回転する排気エネルギ取
出手段で、この排気ガスタービン８のタービンシャフト
30には交流発電機であるオルタネータ９が同軸上に設け
られている。

尚、前記オルタネータ９の端子は、レギュレータ10の入
力側端子と導電ラインにより接続され、レギュレータ10
の出力側端子はバッテリー端子及び負荷19,20,21の端子
に接続され、オルタネータ９からの交流電気は、レギュ
レータ10により直流電気に交換され、バッテリー11の充
電用電気や負荷19,20,21等を作動させる電気として使わ
れる。

また、負荷19,20,21の例としては、図示しているラジエ
ータ31の冷却ファン用モータ32等があり、他に、エアコ
ン用コンプレッサやウォータポンプやゼネレータ等のエ
ンジン補機類がある。

前記バイパスバルブ15は、前記排気ガスタービン８を経
過させることなく、タービン入口側排気管４からタービ
ン出口側排気管５へと直接排気ガスを経過させるバイパ
ス排気管６の途中に設けられた制御バルブで、このバイ
パスバルブ15のバルブ開度制御は、圧力センサ12から入
力される圧力信号（ｐ）に基づいて、アクチュエータ作
動回路13からは、バイパス排気ガス流量の制御でタービ
ン入口圧を設定圧に保つようにバルブアクチュエータ14
に対して作動制御信号（ｃ）が出力され、作動制御信号
（ｃ）によるバルブアクチュエータ14の作動でバルブ開
度の制御がなされる。

尚、前記設定圧は高タービン動力性能が得られる圧力に
設定されている。また、圧力センス12からの圧力信号
（ｐ）は、間欠的に排出される排気ガス特性により信号
変化が大きいため、アクチュエータ作動回路13には圧力
信号（ｐ）の信号変化を平滑化する信号平滑回路（抵抗
等による）が組み込まれている。さらに、前記設定圧は
タービン回転数が一定になるよう設定される場合もあり
得る。

前記排気ガスクーラ16は、前記排気ガスタービン８の下
流位置で、マフラ等が設けられる主排気管７の上流位置
に配置される直交型のガス冷却器で、この排気ガスクー
ラ16の冷却媒体となる冷風は、エアブロア17及び冷風管
18から供給される。

前記エアブロア17は、前記排気ガスタービン８のタービ
ンシャフト30に同軸配置で設けられ、駆動力をタービン
シャフト30から得るようにしている。

次に、実施例の作用を説明する。

（イ）排気ガスエネルギ回収作用 排気ガスエネルギは、エンジン１からの排気ガスが、排
気マニホールド２→マニホールドコンバータ３→タービ
ン入口側排気管４を経過して排気ガスタービン８に送り
込まれ、排気ガスがもつ主として動圧エネルギによる排
気ガスエネルギを排気ガスタービン８の回転力として取
り出し、この回転力でオルタネータ９を駆動させ、電気
エネルギとして回収される。

尚、この排気ガスエネルギ回収作用では、バイパスバル
ブ15のバルブ開度制御で、排気タービン８に送り込まれ
る排気ガスの圧力が設定圧を保つため、排気ガスがこの
設定圧以上になったら排気ガスタービン８の動力性能が
安定し、オルタネータ９で得られる電気エネルギも安定
する。

（ロ）排気ガスの圧力上昇抑制作用 排気ガスタービン８の回転に伴なってエアブロア17が駆
動され、冷風管18から排気ガスクーラ16に対して冷風が
供給されることで、熱交換作用で排気ガスの温度が降下
する。

そして、排気ガスの温度降下により、排気ガスの体積が
縮小し、体積縮小に伴なって排気ガスクーラ16の下流側
排気系である主排気管７内を流れる排気ガスの流速が落
ち、排気抵抗であるマフラ等を経過する時の下流速排気
圧力が低下し、この排気圧力低下量が、排気ガスタービ
ン８の付加による排気圧力上昇量をほぼ相殺させること
になり、排気系全体としては排気圧力の上昇が抑えられ
る。

以上説明してきたように、実施例の排気ガスエネルギ回
収装置Ａにあっては、排気ガスクーラ16により排気圧力
の上昇が抑制されることで、排気ガスタービン８の付加
による機関出力損失がほとんどなくなり、前述の排気ガ
スエネルギ回収作用に基づいて得られる発電量がほぼ有
効回収排気ガスエネルギとなり、高エネルギ回収率によ
り排気ガスエネルギの回収ができる。

そして、この排気ガスエネルギを電気エネルギとして回
収し、従来エンジン駆動されていた補機類の電源として
利用することで、補機類によるエンジン負荷を軽減もし
くは無くしてしまい、エンジン出力をそのまま車両の走
行駆動出力として用いることも可能である。

また、排気ガスクーラ16により、排気ガスクーラ16より
下流の排気系を流通する排気ガスの流速が小さくなるた
め、排気音を低減させることができる。

また、実施例では、バイパスバルブ15を設け、排気ガス
タービン８の入口側排気ガスの圧力を設定圧に保つよう
にしたため、安定した高効率の交流電気を作り出すこと
ができる。

さらに、実施例では、エアブロア17を排気ガスタービン
８のタービンシャフト30に設けたため、例えば、電気モ
ータでエアブロア17を駆動させるのに比較して、エネル
ギロスを少なくしてエアブロア17を駆動させることがで
きる。

以上、本発明の実施例を図面により詳述してきたが、具
体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、本発
明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があって
も本発明に含まれる。

例えば、実施例では、排気ガス冷却器としてエアブロア
からの冷風による冷却器を示したが、モータ駆動のブロ
アやファン、さらには、車両に搭載されている冷房装置
等を利用した冷風や冷媒等を導いて冷却するものであっ
てもよい。

また、実施例では、バイパスバルブを電気信号により作
動される例を示したが、スプリングをバルブ閉鎖方向に
付勢したり、吸気マニホールド圧を利用したりする手段
であってもよい。

（発明の効果） 以上説明してきたように、本発明の内燃機関の排気ガス
エネルギ回収装置にあっては、排気ガスタービンの下流
位置に、冷却媒体を導くことで排気ガスを冷却させる排
気ガス冷却器を設けたため、排気ガスタービンの付加に
よる機関出力損失を抑えながら、排気ガスエネルギから
高エネルギ回収率で電気エネルギの形でエネルギ回収を
行なうことができるという効果が得られる。

また、排気ガス冷却器を設けたため、この排気ガス冷却
器を通過する排気ガスの流速が小さくなり、排気音を低
減させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の自動車用エンジンの排気ガスエ
ネルギ回収装置を示す全体図、第２図は従来の排気ガス
エネルギ回収装置を示す図である。 １……エンジン（内燃機関） ８……排気ガスタービン ９……オルタネータ（発電機） 16……排気ガスクーラ（排気ガス冷却器）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の排気系に設けられる排気ガスタ
   ービンと、該排気ガスタービンの回転軸に連結される発
   電機とを備えた内燃機関の排気ガスエネルギ回収装置に
   おいて、 前記排気ガスタービンの下流位置に、冷却媒体を導くこ
   とで排気ガスを冷却させる排気ガス冷却器を設けたこと
   を特徴とする内燃機関の排気ガスエネルギ回収装置。