(57)【要約】【課題】排気タービンまたは吸気を圧縮するターボチャージャーの回転軸に発電機を接続し、排気エネルギーを電気エネルギーとして回収する内燃機関において、排気ガスのエネルギーが小さいとき、当該発電機の負荷により、排気ガスの排出効率が悪化するもしくはターボチャージャーのタイムラグが大きくなることを課題とする。【解決手段】排気タービンの回転軸に接続する発電機が、励磁コイルの電流を制御して発電を制御することができる発電機であり、排気タービンの回転数または排気ガスの流量を計測し、計測した値があらかじめ設定するしきい値を超えた際に、前記励磁コイルの電流を制御して発電機を動作させる。排気タービンがターボチャージャーの排気側の場合は、タービンの回転数または排気ガスの流速の計測に代えて、吸気側タービンによる過給圧を計測してもよい。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスで回転する排気タービンの回転軸に、励磁コイルの電流を制御して発電を制御することができる発電機が接続されている内燃機関において、前記排気タービンの回転数または排気ガスの流量を計測する手段と、計測した値があらかじめ設定するしきい値を超えた際に、前記励磁コイルの電流を制御して発電機を動作させる手段を有することを特徴とした内燃機関。
【請求項２】
請求項１の排気タービンがターボチャージャーの排気側タービンであり、排気タービンの回転数または排気ガスの流量を計測する手段に代えて、吸気側の過給圧を計測する手段を有することを特徴とした内燃機関。
【請求項３】
請求項１または２において、蓄電池の電圧、電流または温度によって充電要を検出する手段を有し、蓄電池への充電要の際のみ、前記励磁コイルの電流を制御して発電機を動作させる手段を有することを特徴とした内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、排気タービンまたは吸気を圧縮するターボチャージャーの回転軸に発電機を接続し、排気エネルギーを電気エネルギーとして回収する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】近年、地球環境問題、特に温室効果ガスの影響が社会問題化して以降、限りあるエネルギーの使用量を削減する省エネの機運が高まっている。特に、石油資源を大量に消費し、温室効果ガスであるＣＯ２を排出する自動車は、省エネの技術開発が問われている。【０００３】一般的な自動車は、ガソリンまたは軽油をエンジン内で燃焼する内燃機関によって駆動力を得ている。内燃機関内における燃焼時の全エネルギーを１００％とすると、燃焼時のエネルギーの２０〜３０％程度しか利用できていない。そのほかは、機械的な摩擦力によって失われる機械的損失、エンジンを冷却するために失われる冷却損失、高温でエネルギーの高い排気ガスを未使用のまま失ってしまう排気損失などでエネルギーは費やされてしまう。【０００４】近年、内燃機関に加えて動力用または発電用のモータを備えたハイブリッド自動車が実用化されている。様々な方式が存在するが、内燃機関と動力用のモータを直結したパラレル方式では、モータが発電機としても動作する。自動車の減速時には、アクセルがオフとなっており、内燃機関にはガソリンが供給されないが、タイヤが回転する力でモータを回転させて電力を発生させることができる。発電機として動作するモータは、駆動トルクを必要とするため、一種のブレーキとして作用する。運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回収することで制動をかける電気ブレーキの一手法であり、回生ブレーキと呼ばれる。【０００５】上述のハイブリッド自動車は、内燃機関の力によって発電機を回して発電するだけでなく、回生ブレーキを利用して電気エネルギーを充電池に蓄える。理想的には、内燃機関の力によって発電するのではなく、内燃機関が生み出したエネルギーのうち、未使用のエネルギーを電力エネルギーに変換して、蓄電池に充電し、次の駆動時にモータが使用する電力エネルギーとすることが望ましい。【０００６】未使用のエネルギーを電力エネルギーに変換するためには、発電機を回さねばならない。エンジンを冷却しているラジエター液は、温度上昇後、約１００度と安定していることから、アンモニアやペンタン・フロンなど水よりも低沸点の媒体を、熱水であるラジエター液で沸騰させてタービンを回して発電させるバイナリー発電（ｂｉｎａｒｙ  ｃｙｃｌｅ）が原理的に可能であるが、まだまだ機器構成が大きく、ハイブリッド自動車に搭載できる状況ではない。【０００７】高温の排気ガスは、タービンを回転させるエネルギーを有しており、既にターボチャージャー（以下、ターボと呼ぶ）が自動車にて実用化されている。ターボは、排気側のタービンと吸気側のタービンが同一の軸で結ばれており、排気ガスによって排気側のタービンを回転させると、吸気側のタービンも回り、それによって吸気が圧縮されてエンジンに押し込まれる。通常の自然吸気エンジンでは、アクセル全開時に、吸気圧は大気圧と同じになる。ターボ付のエンジンでは、大気圧以上の吸気をエンジンに押し込めるため、見かけ上の排気量を大きくすることができる。従来は、高出力のエンジンを実現するために用いられてきた技術であるが、最近ではエンジンの排気量を小さくすることで燃費を良くしながら、必要時にはもとの排気量相当の出力を得るための省���ネを志向するターボが主流になりつつある。【０００８】ターボは、排気エネルギーを回転力に変換する。この原理を応用すれば、排気ガスを利用して、発電機を回し、電力エネルギーを産み出すことができる。図１に示すように、従来のターボの回転軸に発電機を接続することが知られている（特開昭６０−１９５３２９など）。図１のように、回転軸で直接発電機をまわしても良いし、ギヤやベルト駆動のプーリーを介して発電機を回しても良い。この方法のターボは、吸気を圧縮する作用と発電を行う作用の２つを行うことになる。吸気を圧縮する作用を行ってエンジン出力を上げる必要がなく、排気ガスを利用して電力エネルギーを産み出すのみであれば、図２に示すように、排気タービンのみを用意し、発電機を回せばよい。
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】発電機を回すためには、ある程度の駆動トルクを必要とする。このため、エンジンの回転数が低く、排気エネルギーが小さいときには、発電機を回す駆動トルクが十分に得られない可能性がある。以下、図１と図２で説明した従来技術の課題について説明する。
【００１０】自然吸気エンジンでは、アクセルを開けて、エンジンの回転数が上昇すると、それに比例して出力が上昇する。一方、ターボ付のエンジンは、アクセルを開ける→エンジン回転数の上昇→排気エネルギーの増大→排気タービンの回転数が上昇（＝吸気タービンの回転数が上昇）→過給圧が上昇→出力の上昇となる。つまり、ターボ付のエンジンでは、アクセルを開けてから、一歩遅れて出力が上昇する。これをターボラグと言う。
【００１１】図１の原理でターボに発電機を取り付けた場合の従来技術の課題について説明する。アクセルの開度が小さいとき、エンジンの回転数は低く、排気ガスのエネルギーが小さい。このため、排気ガスによって、ターボの回転数を十分に上げられず、吸気が不十分なことからエンジン出力は上がらない。一方、アクセル開度が大きくなると、エンジンの回転数も上がり、排気エネルギーが高くなるため、ターボの回転数が急に上昇してエンジン出力も大きくなる。もともとターボ付のエンジンには、上述したように、ターボラグが原理的に存在する。しかしながら、ターボに発電機を接続したことにより、電力エネルギーを回収できるメリットを得るものの、ターボラグがおおきくなってしまう（図３）。以上が、ターボを利用して電力エネルギーを得る際の課題である。
【００１２】図２の原理で排気タービンに発電機を取り付けた場合の従来技術の課題について説明する。アクセルの開度が小さいとき、エンジンの回転数は低く、排気ガスのエネルギーが小さい。このため、排気ガスによって、排気タービンを十分に回すことができない。つまり、止まっているかわずかに回っている排気タービンは、エンジンが排気ガスを排出する際の排気抵抗となってしまう。一方、アクセルの開度を大きくすると、エンジンの回転数も上がり、排気エネルギーが十分に高くなるため、発電機を回すことができる。内燃機関では、排気ガスをスムーズに排出することが、燃費や性能向上に直結するため、発電機を接続した排気タービンを排気側に取り付けたことにより、電力エネルギーを回収できるものの、アクセル開度の小さいときに、内燃機関そのものの効率が下がってしまうことになる。以上が、排気タービンを利用して電力エネルギーを得る際の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】上記で説明した課題を解決するためには、排気ガスのエネルギーが小さいとき、ターボまたは排気タービンによって発電機を回さず、排気ガスのエネルギーが大きいとき、ターボまたは排気タービンによって発電機を回すことができればよい。クラッチなどにより機械的に発電機を回転軸に接続・開放する機構を設けることは、原理的には実現可能であるが、小型化・軽量化の観点から現実的ではない。
【００１４】本発明では、交流発電機では励磁電流を制御することにより、発電をオン・オフできることを利用する。一般的な交流発電機は、永久磁石を回転させ、電磁誘導でコイル（ステータ・コイル）に電流を発生させる。自動車では、交流発電機、整流器、電圧を一定に制御するレギュレータが一体化されたオルタネータと呼ばれる交流発電機を具備している。自動車のオルタネータは、永久磁石の代わりに電磁石（ローターコイル）を回転させ、ステータ・コイルより交流電力を取り出す。このため、オルタネータは、永久磁石の発電機と異なり、ロータ・コイルを磁化する電力を制御することで、オルタネータの発電をオン・オフすることができる。つまり、ロータ・コイルを磁化する電力を制御することで、発電機の回転負荷を制御できる。
【００１５】図４は、オルタネータの回転負荷を減らして省エネの自動車を実現するための事例である。蓄電池の発生電圧や消費電流などから蓄電池が充電要となったときのみ、オルタネータの発電をオンにする充電制御を行う。特開平０５−３２８７９９では、エンジンの回転数に応じて、オルタネータの充電制御を行うことが示されている。
【００１６】本発明では、排気ガスのエネルギーが小さいとき、排気タービンまたはターボに接続された発電機を動作させず、排気ガスのエネルギーが大きいとき、発電機を動作させる。発電機の動作を制御するためには、排気ガスのエネルギーを検出する手段が必要となる。アクセル開度やエンジンの回転数（タコメータ）は、排気ガスのエネルギーにほぼ比例しているが、直接的ではない。本発明では、排気タービンまたはターボの回転数、排気ガス流量、ターボによる吸気側の過給圧のいずれかを用い、排気ガスのエネルギーを検出し、発電機の動作を制御する。
【００１７】本発明では、排気ガスで回転するタービンを具備し、当該タービンの回転軸に直接またはギヤやベルト駆動のプーリーを介して発電機が接続されている内燃機関において、タービンの回転数を計測する手段と、計測したタービンの回転数があらかじめ設定するしきい値を超えているかを検出する手段を有し、タービンの回転数がしきい値を超えた場合にのみロータ・コイルを磁化し、発電機を動作させる制御を行う。
【００１８】本発明では、タービンの回転数を計測する手段を排気ガスの流量を計測する手段に交換しても実現できる。排気ガスの流量を測定する方法としては、既存技術である内燃機関の吸気量を測定するエアフロメーターの各方法（フラップ方式、熱電対方式、カルマン渦流方式など）が応用できる。排気ガスの流量測定は、測定温度が高く、燃焼後の不純物に対応するダスト対策が必要となる。航空機の速度を測る計器として長い歴史を有するピトー管方式は、高温のガスを測定でき、ダスト対策にも強く、燃焼排ガスの測定にも用いられており、利用可能である。
【００１９】本発明では、ターボの場合は、タービンの回転数や排気ガスの流量を計測する手段に代えて、吸気の過給圧を計測する手段に交換しても実現できる。ターボによる吸気側の過給圧は、排気ガスそのもののエネルギーではないが、ターボは吸気タービンと排気タービンが同一軸で構成されているため、排気ガスのエネルギーである排気タービンの回転数と密接であることを利用する。
【００２０】本発明では、バッテリの充電を最終目的としている。このため、上述した機能に加え、蓄電池の電圧、電流または温度によって充電要を検出する手段を加え、蓄電池への充電が必要な場合にのみ、本発明による発電機の制御を行うこともできる。この場合、蓄電池の状況によって、発電機を動作させる制御を減らすことができる。
【先行技術文献】
【００２１】
【特許文献】
【特許文献】特開昭６０−１９５３２９  内燃機関のターボチャージャ  特開平０５−３２８７９９  発電機の励磁電流制御装置
【発明の効果】
【００２２】本発明の内燃機関によれば、排気ガスのエネルギーが小さいときには、排気タービンに連動した発電機を停止させ、排気ガスのエネルギーが大きいときには、排気タービンに連動した発電機を動作させ、充電池を充電することができる内燃機関を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】本発明は、排気ガスから電力エネルギーを有効に取り出すことのできる内燃機関に関する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ターボに連動した発電機を備えた内燃機関の説明図である。
【図２】排気タービンに連動した発電機を備えた内燃機関の説明図である。
【図３】一般的なターボを備えた内燃機関と、ターボに連動した発電機を備えた内燃機関の過給圧特性を比較する説明図である。
【図４】充電制御を行う内燃機関の説明図である。
【図５】本発明による実施例１の内燃機関を示す説明図である。
【図６】本発明による実施例１のフローチャートを示す説明図である。
【図７】本発明による実施例２の内燃機関の示す説明図である。
【図８】本発明による実施例３の内燃機関の示す説明図である。
【符号の説明】
【００２５】１    内燃機関本体
２    軸出力
３    軸出力の回転方向
４    軸出力の接続先
５    吸気
６    排気
７    ターボ（ターボチャージャー）
８    排気ガスエネルギー回収用発電機
９    排気タービン
１０  過給圧
１１  エンジン回転数
１２  最大過給圧
１３  通常のターボを備えた内燃機関の特性
１４  発電機付ターボを備えた内燃機関の特性
１５  一般的な内燃機関用発電機
１６  銅線（プラス側）
１７  充電池の接続先
１８  充電池
１９  充電制御装置
２０  各種車載センサからの入力
２１  温度センサ
２２  電圧センサ
２３  電流センサ
２４  プーリー駆動のベルトドライブ
２５  回転数検出器
２６  ピトー管センサ
２７  過給圧センサ
【実施例１】
【００２６】本発明の実施例１を説明する。図５は、内燃機関の排気ガスによって、排気タービンが回り、発電機が動作し、蓄電池への充電を行うことができる構成を示している。排気タービンの回転数を常に検出し、排気ガスのエネルギーの大小を把握する。排気タービンの回転数が小さいときは、励磁電流をカットし、発電機の動作を停止させ、排気タービンの回転負荷を低減する。逆に、排気タービンの回転数が大きいときは、励磁電流を流し、発電機を動作させる。本実施例では、蓄電池の電圧もモニタし、蓄電池が充電要であり、排気タービンの回転数が大きいときのみ、発電機を動作させる制御を行っている。この制御例を図６に示す。以上、本実施例によれば、排気抵抗を小さい、蓄電池への充電が可能な排気タービン付の内燃機関を実現できる。
【実施例２】
【００２７】本発明の実施例２を説明する。図７は、内燃機関の排気ガスによって、ターボが回り、吸気を圧縮してエンジンに充填すると同時に、発電機によって蓄電池への充電を行うことができる構成を示している。本構成では、ピトー管により排気ガスの流速を検出し、排気ガスのエネルギーの大小を把握する。排気ガスの流速が小さいときは、励磁電流をカットし、発電機の動作を停止させ、ターボの回転負荷を低減する。逆に、排気ガスの流速が大きいときは、励磁電流を流し、発電機を動作させる。以上、本実施例によれば、ターボラグを小さくしながら、蓄電池への充電可能なターボ付の内燃機関を実現できる。また、実施例１と同様に、蓄電池の状況をモニタし、蓄電池が充電要のときのみ、発電機の制御を行うことも可能である。
【実施例３】
【００２８】本発明の実施例３を説明する。図８は、内燃機関の排気ガスによって、ターボが回り、吸気を圧縮してエンジンに充填すると同時に、発電機によって蓄電池への充電を行うことができる構成を示している。本構成では、ターボによる吸気側の過給圧を検出し、排気ガスのエネルギーの大小を把握する。過給圧が小さいときは、励磁電流をカットし、発電機の動作を停止させ、ターボの回転負荷を低減する。逆に、過給圧が大きいときは、励磁電流を流し、発電機を動作させる。以上、本実施例によれば、ターボラグを小さくしながら、吸気を圧縮すると同時に、蓄電池への充電可能なターボ付の内燃機関を実現できる。また、実施例１と同様に、蓄電池の状況をモニタし、蓄電池が充電要のときのみ、発電機の制御を行うことも可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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