エンジンシステム
【課題】外部に捨てられていた高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを、電力または動力として回収することとし、システム全体のエネルギー効率を向上させたエンジンシステムを提供する。
【解決手段】このシステムは、エンジン1から排出された排気ガスにより駆動される排気タービン43と、排気タービン43により駆動され、外部から吸入した空気を圧縮して圧縮空気を吐出するコンプレッサ42とを有するターボ過給機4と、エンジン1から排出された排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてエンジン1の吸気部に還流させるＥＧＲ通路5とを備え、更に、コンプレッサ42から吐出された圧縮空気の一部を流通させる分岐空気通路6と、ＥＧＲ通路5を流通する高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを分岐空気通路6を流通する圧縮空気に伝達させて、分岐空気通路6を流通する圧縮空気を加熱するガス‐ガス熱交換器7と、ガス‐ガス熱交換器7において加熱された圧縮空気により駆動される空気タービン8とを備える。
【解決手段】このシステムは、エンジン1から排出された排気ガスにより駆動される排気タービン43と、排気タービン43により駆動され、外部から吸入した空気を圧縮して圧縮空気を吐出するコンプレッサ42とを有するターボ過給機4と、エンジン1から排出された排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてエンジン1の吸気部に還流させるＥＧＲ通路5とを備え、更に、コンプレッサ42から吐出された圧縮空気の一部を流通させる分岐空気通路6と、ＥＧＲ通路5を流通する高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを分岐空気通路6を流通する圧縮空気に伝達させて、分岐空気通路6を流通する圧縮空気を加熱するガス‐ガス熱交換器7と、ガス‐ガス熱交換器7において加熱された圧縮空気により駆動される空気タービン8とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation、排気ガス再循環）機構を備えたターボ過給機付きエンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両等に搭載された内燃エンジンシステムでは、エンジンの排気部から排出された排気ガスの一部をエンジンの吸気部に還流し、吸気の酸素濃度を低下させることにより、エンジンの燃焼温度を下げて、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を低減するＥＧＲが行われている。ＥＧＲを行うための機構として、エンジンシステムには、エンジンの排気部と吸気部とを接続するＥＧＲ通路が設けられる。また、ＥＧＲ通路には、高温の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして再びエンジンに吸入させることによるエンジンの吸気充填効率の低下を防止するため、ＥＧＲクーラが設けられる。ＥＧＲクーラを流れる高温のＥＧＲガスは、例えば、ＥＧＲクーラ用に分流されたエンジン冷却液により冷却され、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーは、エンジン冷却液を介して、エンジン冷却液放熱用のラジエータから外部（大気中）に放出される。このＥＧＲクーラにより冷却されて外部に捨てられていた高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを電力として回収して、システム全体のエネルギー効率を向上させるＥＧＲ機構を備えたターボ過給機付きエンジンシステムが提供されている。このものによれば、ＥＧＲ通路に水循環回路の蒸発器を配設して、循環ポンプで昇圧した液体の水を、ＥＧＲ通路を流れる高温のＥＧＲガスにより加熱して水蒸気とし、その高温高圧の水蒸気により蒸気タービンを回転駆動し、蒸気タービンに接続された発電機で発電を行う。蒸気タービンを駆動して圧力及び温度が低下した水蒸気は、凝縮器で冷却されて液体の水に戻され、循環ポンプに吸入される（特許文献１）。これにより、従来、ＥＧＲクーラにより冷却されて外部に捨てられていた高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを電力として回収でき、システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２４２７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した特許文献１に係るエンジンシステムによれば、作動媒体としての水を循環させることを必須としている。よって、水循環回路には、蒸発器、蒸気タービンのほかに、蒸気タービンから排出された水蒸気を冷却して液体の水に戻す凝縮器と、その液体の水を昇圧して蒸発器に送る循環ポンプとが必要であり、また、水循環回路には、水及び水蒸気の漏れを回避する高い気密性が要求される。そのため、システムが全体として不可避的に大型化、重量化、高コスト化する。
【０００５】
更に、水を作動媒体としており、寒冷環境下においては、エンジン停止時に水が凍結し、システムが始動できなくなったり、氷生成に伴う体積膨張により、システムが破損したりするおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、エンジンから排出された排気ガスの一部である高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを電力または動力として回収し、システム全体のエネルギー効率を向上させることが可能な小型、軽量、低コストであり、更に、寒冷環境下においても、システムが、始動できなくなったり、破損したりするおそれを抑えることができるエンジンシステムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の様相１に係るエンジンシステムは、吸気部と排気部とを有するエンジンと、外部から吸入した空気を含む吸気をエンジンの吸気部に供給する吸気通路と、エンジンの排気部から排出された排気ガスを外部に排出する排気通路と、排気通路に設けられ、エンジンの排気部から排出された排気ガスにより駆動される排気タービンと、吸気通路に設けられ、排気タービンにより駆動され、外部から吸気通路に吸入された空気を圧縮して圧縮空気を吐出するコンプレッサとを有するターボ過給機と、エンジンの排気部から排出された排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてエンジンの吸気部に還流させるＥＧＲ通路とを具備しており、更に、ターボ過給機のコンプレッサよりも下流側の吸気通路から分岐され、ターボ過給機のコンプレッサから吐出された圧縮空気の一部を流通させる分岐空気通路と、ＥＧＲ通路と分岐空気通路との間に設けられ、ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガスの高温の熱エネルギーを、分岐空気通路を流通する圧縮空気に伝達させて、分岐空気通路を流通する圧縮空気を加熱すると共に、ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガスを冷却するガス‐ガス熱交換器と、ガス‐ガス熱交換器から下流側の分岐空気通路に設けられ、発電機または被駆動機構に接続され、ガス‐ガス熱交換器において加熱された圧縮空気により駆動される空気タービンとを具備する。
【０００８】
本様相によれば、ターボ過給機のコンプレッサから吐出された圧縮空気の一部を分岐空気通路に流通させ、ＥＧＲ通路と分岐空気通路との間に設けたガス‐ガス熱交換器において、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを、分岐空気通路を流通する圧縮空気に伝達し、高温に加熱された圧縮空気により空気タービンを回転駆動して、電力または動力として回収でき、システム全体のエネルギー効率が向上する。
【０００９】
また、本様相によれば、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーが伝達され、空気タービンを回転駆動する圧縮空気として、ターボ過給機のコンプレッサから吐出された圧縮空気の一部を利用する。このため、従来の特許文献１に係るシステムとは異なり、作動媒体を昇圧するための循環ポンプに相当する機器が不要であり、システムを小型化、軽量化、低コスト化できると共に、循環ポンプの駆動に必要な動力も削減され、更に、システム全体のエネルギー効率が向上する。
【００１０】
更に、本様相によれば、従来の特許文献１に係るシステムとは異なり、作動媒体は水ではなく、空気であり、外部から吸入され、空気タービンを駆動した後、外部へ排出される。このため、従来の特許文献１に係る水循環回路における凝縮器に相当する機器は不要であり、システムを小型化、軽量化、低コスト化することができる。また、水の場合とは異なり、高い気密性は必要なく、システムを小型化、軽量化、低コスト化するのに有利である。
【００１１】
更に、本様相によれば、特許文献１に係るシステムとは異なり、作動媒体が水とは異なる空気であり、寒冷環境下でも凍結することがなく、寒冷環境下においても、システムが、始動可能であり、破損するおそれを抑えることができる。
【００１２】
本発明の様相２に係るエンジンシステムによれば、上記様相において、吸気通路から分岐空気通路に流入する圧縮空気の流量を調節する吸気分流バルブを具備する。この場合、エンジンの回転数の変化に応じて、吸気分流バルブの開度を制御し、分岐空気通路へ流入する圧縮空気の流量を調節することで、エンジンの吸気圧力を排気圧力に対して所定の圧力だけ低く維持して、ＥＧＲを可能にすると共に、分岐空気通路に流入した圧縮空気を利用して、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを電力または動力として回収でき、システム全体のエネルギー効率が向上する。
【００１３】
本発明の様相３に係るエンジンシステムによれば、上記様相において、被駆動機構がターボ過給機である。この場合、エンジンに供給される吸気のうち、ＥＧＲガスの占める割合の大きい高ＥＧＲ率のエンジンシステムにおいて、エンジンから排出されて排気タービンに流入する排気ガス流量の減少により、ターボ過給機のコンプレッサを回転駆動する排気タービンの動力が減少した分を、流量が増加したＥＧＲガスで高温に加熱されて分岐空気通路を流通する圧縮空気により回転駆動される空気タービンの動力により補うことができる。このため、エンジンに必要とされる圧縮空気の流量が確保され、高い吸気圧力での運転が可能となり、エンジンの比出力が向上し、システム全体のエネルギー効率が向上する。
【００１４】
本発明の様相４に係るエンジンシステムによれば、上記様相において、ガス‐ガス熱交換器が向流形熱交換器である。この場合、互いに逆向きに流れながら熱伝達を行うＥＧＲガスと圧縮空気との間の、ガス‐ガス熱交換器に沿っての各位置での温度差を小さくすることができ、ＥＧＲガスの熱エネルギーを圧縮空気へ伝達する過程での温度低下幅を小さく抑えることができる。このため、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを圧縮空気に効率よく伝達して、電力または動力として回収することができ、システム全体のエネルギー効率が向上する。
【００１５】
本発明の様相５に係るエンジンシステムによれば、上記様相において、空気タービンが可変容量機構を有する半径流タービンである。この場合、分岐空気通路を流れる圧縮空気の流量の変動に応じて、タービンの流量特性を変えることができ、広範囲の圧縮空気流量に対して、効率よく空気タービン作動させることができる。このため、広範囲のエンジン回転数に対して、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを効率よく電力または動力として回収することができ、システム全体のエネルギー効率が向上する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを電力または動力として回収し、システム全体のエネルギー効率を向上させた小型、軽量、低コストであるエンジンシステムを提供することができる。更に、従来技術とは異なり、作動媒体としての水を廃止して、空気を使用するため、寒冷環境下においても、システムが、始動できなくなったり、破損したりするおそれを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態１に係り、エンジンシステムを示す回路図である。
【図２】実施形態１に係り、エンジン回転数と圧力、吸気分流バルブ開度との関係を模式的に示すグラフである。
【図３】実施形態２に係り、エンジンシステムを示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１の概念を示す。エンジンシステムは、図１に示すように、エンジン１と、吸気通路２と、排気通路３と、ターボ過給機４と、ＥＧＲ通路５とを備え、更に、分岐空気通路６と、ガス‐ガス熱交換器７と、空気タービン８とを備えている。
【００１９】
エンジン１は、複数の気筒を直列に配置した往復動ピストン形の内燃エンジンであり、軽油等を燃料とする圧縮着火式でも、ガソリン、液化石油ガス、天然ガス等を燃料とする火花点火式でもよい。エンジン１は、シリンダブロック、シリンダヘッド等からなるエンジン構造体１１と、各気筒に吸入される吸気を分配する吸気マニホルド１２（吸気部）と、各気筒から排出される排気ガスを集合する排気マニホルド１３（排気部）と、図示しないクランク機構及び動弁機構とからなる。エンジン１から出力される動力は、図示しない動力伝達機構を介して車両の走行や、圧縮機等の駆動に利用されるか、あるいは、図示しない発電機を駆動することにより、電力に変換されて利用される。
【００２０】
吸気通路２は、外部から吸入した空気を含む吸気をエンジン１の吸気マニホルド１２に供給する通路であり、一端が外部に開口され、他端がエンジン１の吸気マニホルド１２に接続されている。吸気通路２には、上流側から順に、外部から吸入した空気からダスト等の異物を除去するエアクリーナ２１と、外部から吸入した空気を圧縮して圧縮空気を吐出する遠心式のコンプレッサ４２と、圧縮されて温度上昇した圧縮空気を冷却して、エンジン１の吸気充填効率を向上させるインタクーラ２２とが設けられている。インタクーラ２２を流れる圧縮空気は、インタクーラ用冷却液通路９２を流れるインタクーラ用冷却液により冷却される。
【００２１】
排気通路３は、エンジン１の排気マニホルド１３から排出された排気ガスを外部に排出する通路であり、一端がエンジン１の排気マニホルド１３に接続され、他端が外部に開口されている。排気通路３には、上流側から順に、エンジン１から排出された排気ガスにより回転駆動される半径流式の排気タービン４３と、排気ガス中に含まれる有害成分を浄化する触媒等の排気浄化装置３１と、排気騒音を低減する消音器３２とが設けられている。
【００２２】
吸気通路２に設けられたコンプレッサ４２と、排気通路３に設けられた排気タービン４３とが、第１連結軸４１により接続され、ターボ過給機４が構成される。エンジン１から排出された排気ガスにより、排気タービン４３が回転駆動され、排気タービン４３により、コンプレッサ４２が回転駆動される。
【００２３】
ＥＧＲ通路５は、エンジン１の排気マニホルド１３から排出された高温の排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてエンジン１の吸気マニホルド１２に還流させる通路である。ＥＧＲ通路５の上流側の一端は、排気通路３の排気分岐部３ａに接続され、ＥＧＲ通路５の下流側の他端は、吸気通路２の吸気合流部２ｂに接続されている。なお、インタクーラ２２と吸気合流部２ｂとの間の吸気通路２には、エンジン１の出力調節用の図示しないスロットルバルブが設けられる場合もある。
【００２４】
ターボ過給機４のコンプレッサ４２から延設された下流側の吸気通路２の吸気分岐部２ａから、分岐空気通路６が分岐されている。分岐空気通路６には、コンプレッサ４２から吐出された圧縮空気の一部が流通される。吸気分岐部２ａは、特に限定されないが、吸気通路２において吸気合流部２ｂよりも上流側に設けられることが好ましい。また、吸気分岐部２ａは、吸気通路２においてインタークーラ２２の上流側に設けられていることが好ましい。なお、インタークーラ２２は吸気合流部２ｂよりも下流側の吸気通路２に設けても良い。
【００２５】
分岐空気通路６とＥＧＲ通路５との間には、ガス‐ガス熱交換器７が設けられている。ガス‐ガス熱交換器７は、ＥＧＲ通路５を流通する高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを、分岐空気通路６を流通する圧縮空気に伝達させて、圧縮空気を加熱すると共にＥＧＲガスを冷却する向流形熱交換器である。向流形熱交換器は、熱伝達を行う２つの媒体の流れる向きが互いに逆向きである熱交換器である。ガス‐ガス熱交換器７において、ＥＧＲガスは、チューブ側通路７１を、チューブ側通路入口７１ａからチューブ側通路出口７１ｂに向けて流れ、圧縮空気は、シェル側通路７２を、シェル側通路入口７２ａからシェル側通路出口７２ｂに向けて流れる。ガス‐ガス熱交換器７に沿っての各位置で、チューブ側通路７１を流れる相対的に圧縮空気よりも高温のＥＧＲガスの熱エネルギーが、シェル側通路７２を流れる相対的にＥＧＲガスより低温の圧縮空気に伝達される。ガス‐ガス熱交換器７は、向流形熱交換器であるため、互いに逆向きに流れながら熱伝達を行うＥＧＲガスと圧縮空気との間の、ガス‐ガス熱交換器に沿っての各位置での温度差を小さくすることができ、ＥＧＲガスの熱エネルギーを圧縮空気へ伝達する過程での温度低下幅を小さく抑えることができる。これにより、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを圧縮空気に効率よく伝達することができる。
【００２６】
ガス‐ガス熱交換器７から下流側のＥＧＲ通路５には、ガス‐ガス熱交換器７において冷却されたＥＧＲガスを更に冷却するためのＥＧＲクーラ５１が設けられている。ＥＧＲクーラ５１を流れるＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ用冷却液通路９１を流れるエンジン冷却液により冷却される。ガス‐ガス熱交換器７において、高温のＥＧＲガスは、圧縮空気により冷却されるため、ＥＧＲクーラ５１でのＥＧＲガスの必要冷却熱量は、従来に比べて大きく減少する。このため、従来から使用されていたＥＧＲクーラを小型化、軽量化、低コスト化することができる。場合によっては、従来から使用されていたＥＧＲクーラを廃止することもできる。
【００２７】
ガス‐ガス熱交換器７よりも下流側の分岐空気通路６には、空気タービン８が設けられている。空気タービン８は、ガス‐ガス熱交換器７でＥＧＲガスにより加熱された高温の圧縮空気により回転駆動される。空気タービン８は、内部に図示しない可変容量機構を有する半径流タービンである。空気タービン８の可変容量機構としては、スクロール入口の面積を可動式フラップで連続可変にする可動フラップ式や、羽根車周囲に設けた可変ノズル羽根を揺動させてノズル面積を変える可変ノズル羽根式等が例示される。空気タービン８は、分岐空気通路６を流れる圧縮空気の流量変動に応じて、タービンの流量特性を変えることができ、広範囲の圧縮空気流量に対して、効率よく空気タービンを作動させることができる。
【００２８】
空気タービン８には、第２連結軸８１を介して発電機８２が接続されており、空気タービン８により、発電機８２が回転駆動され、発電が行われる。発電された電力は、インバータ８３を介して、蓄電池またはキャパシタ等の蓄電デバイス８４に蓄電されるか、あるいは、補機類８６を駆動するモータ８５に供給される。吸気通路２の吸気合流部２ｂと吸気マニホルド１２との間には、エンジン１に吸入される吸気の酸素濃度を検知する吸気酸素濃度センサ２４と、吸気圧力を検知する吸気圧力センサ２３とが設けられている。排気通路３の排気マニホルド１３と排気分岐部３ａとの間には、エンジン１から排出される排気ガスの酸素濃度を検知する排気酸素濃度センサ３４と、排気圧力を検知する排気圧力センサ３３と、排気温度を検知する排気温度センサ３５とが設けられている。
【００２９】
ＥＧＲクーラ５１と吸気合流部２ｂとの間のＥＧＲ通路５には、ＥＧＲ通路５を流れるＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲバルブ５２が設けられている。ＥＧＲバルブ５２の開度は、吸気酸素濃度センサ２４及び排気酸素濃度センサ３４の計測値から算出される実ＥＧＲ率（エンジン１に吸入される吸気のうち、ＥＧＲガスの占める割合）が、エンジン１の回転数やエンジン１への燃料供給量から算出される目標ＥＧＲ率になるように、図示しない制御装置により制御される。
【００３０】
吸気分岐部２ａから下流側の分岐空気通路６には、吸気分流バルブ６１が設けられている。図２は、エンジン１の回転数が変化した場合の、吸気圧力センサ２３により計測される吸気圧力（特性線ａ）、排気圧力センサ３３により計測される排気圧力（特性線ｂ）、吸気分流バルブ６１の開度（特性線ｃ）について示したものである。ＥＧＲを行うためには、吸気圧力が排気圧力に対して、所定の圧力だけ低くなっていることが必要であり、図中の特性線ｃで示したように、エンジン１の回転数の変化に応じて、吸気分流バルブ６１の開度が図示しない制御装置により制御される。吸気分流バルブ６１の開度を制御することにより、分岐空気通路６に流入する圧縮空気の流量が調節されて、ＥＧＲを可能にすると共に、余剰の圧縮空気が分岐空気通路６に流通され、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーが電力として回収される。なお、エンジンシステムの冷間始動等で、暖機運転を行う場合には、吸気分流バルブ６１は全閉とされる。排気通路３に設けた排気温度センサ３５により計測される排気ガスの温度が所定の温度以上に上昇し、エンジンシステムの暖機が完了したと判断されると、吸気分流バルブ６１が開けられる。
【００３１】
次に、本実施形態のエンジンシステムの作用について説明する。本実施形態に係るエンジンシステムの通常運転時（暖機完了後の非アイドリング運転時）には、エンジン１に、燃料燃焼により、例えば、熱として５０ｋＷが入力され、エンジン１から、例えば、動力として１５ｋＷが出力され、排気ガスとして２０ｋＷの熱が８００℃の温度で排出される。このときのエンジン１のエネルギー効率（＝動力出力／熱入力）は、３０％である。
【００３２】
ＥＧＲバルブ５２及び吸気分流バルブ６１の開度が制御されることにより、排気圧力が、例えば、絶対圧力で０．３５ＭＰａ（以下、圧力は、絶対圧力を示すものとする。）に、吸気圧力が、例えば、０．３０ＭＰａに調節され、エンジン１から排出された排気ガスのうち、例えば、３０％がＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路５に流入し、残りの７０％により排気タービン４３が回転駆動される。この場合、ＥＧＲガスとして６ｋＷの熱がＥＧＲ通路に流入する。そして、排気タービン４３により回転駆動されたコンプレッサ４２から圧縮空気が、例えば、圧力が０．３２ＭＰａ、温度が１５０℃で吐出され、その圧縮空気のうち、例えば、７０％がエンジン１へ向けてインタクーラ２２に流入し、余剰の３０％が分岐空気通路６に流入する。
【００３３】
ＥＧＲ通路５に流入したＥＧＲガスは、ガス‐ガス熱交換器７のチューブ側通路入口７１ａに、例えば、７５０℃で流入し、分岐空気通路６に流入した圧縮空気は、ガス‐ガス熱交換器７のシェル側通路入口７２ａに、例えば、１４０℃で流入する。ガス‐ガス熱交換器７に沿っての各位置において、相対的に温度の高いチューブ側通路７１を流れるＥＧＲガスの熱エネルギーが、相対的に温度の低いシェル側通路７２を流れる圧縮空気に伝達され、圧縮空気は、例えば、６５０℃に加熱されてシェル側通路出口７２ｂから流出し、ＥＧＲガスは、例えば、２００℃に冷却されてチューブ側通路出口７１ｂから流出する。これにより、ガス‐ガス熱交換器７において、ＥＧＲガスから圧縮空気に、例えば、５ｋＷの熱が、６５０℃の高温に維持されて伝達される。ガス‐ガス熱交換器７は、向流形熱交換器であるため、ＥＧＲガスの熱エネルギーを圧縮空気へ伝達する過程で、温度低下幅を１００℃に抑えることができ、熱エネルギーを効率よく伝達することができる。
【００３４】
６５０℃の高温に加熱された圧縮空気は、分岐空気通路６から空気タービン８に流入して、空気タービン８を回転駆動する。空気タービン８に流入する前の圧縮空気の圧力は、例えば、０．３ＭＰａとなり、空気タービン８から排出される圧縮空気の圧力は、例えば、０．１ＭＰａとなる。このとき、空気タービン８での熱‐動力変換の理論効率は４０％となる。空気タービン８は、内部の可変容量機構の制御により、例えば、タービン効率が８５％で作動可能であり、空気タービン８の実際の熱‐動力変換効率は、３４％となる。その結果、ＥＧＲガスから圧縮空気に伝達された５ｋＷの熱のうち、１．７ｋＷが動力に変換される。
【００３５】
更に、空気タービン８は、発電機８２を回転駆動し、発電が行われる。発電機８２の発電機効率は、例えば、８８％にでき、発電機８２から１．５ｋＷの電力が出力される。この電力は、エンジン１への熱入力５０ｋＷの３％にあたり、エンジン１のエネルギー効率の３０％とあわせると、システム全体のエネルギー効率は３３％となる。エンジン１のエネルギー効率の３０％を基準にすると、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを電力として回収することにより、システム全体のエネルギー効率が、１０％向上される。
【００３６】
空気タービン８を駆動して、圧力及び温度が低下した空気は、空気分岐通路６から外部へ排出される。
【００３７】
ＥＧＲクーラ５１に流入したＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ用冷却液通路９１を流れるエンジン冷却液により、例えば、１００℃の温度まで冷却される。ＥＧＲクーラ５１で冷却されたＥＧＲガスは、ＥＧＲバルブ５２を通って、吸気合流部２ｂにおいて、インタクーラ２２で冷却された圧縮空気と合流して、エンジン１に吸入される。
【００３８】
上記した本実施形態によれば、次のような作用効果が得られる。
【００３９】
ターボ過給機４のコンプレッサ４２から吐出された圧縮空気の一部を分岐空気通路６に流通させ、ＥＧＲ通路５と分岐空気通路６との間に設けたガス‐ガス熱交換器７において、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを、分岐空気通路６を流通する圧縮空気に伝達し、高温に加熱された圧縮空気により空気タービン８を回転駆動して、電力または動力として回収でき、システム全体のエネルギー効率が向上する。
【００４０】
また、本実施形態によれば、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーが伝達され、空気タービン８を回転駆動する圧縮空気として、ターボ過給機４のコンプレッサ４２から吐出された圧縮空気の一部を利用する。このため、従来の特許文献１に係るシステムとは異なり、作動媒体を昇圧するための循環ポンプに相当する機器が不要であり、システムを小型化、軽量化、低コスト化できると共に、循環ポンプの駆動に必要な動力も削減され、更に、システム全体のエネルギー効率が向上する。
【００４１】
更に、本実施形態によれば、従来の特許文献１に係るシステムとは異なり、作動媒体は水ではなく、空気であり、外部から吸入され、空気タービン８を駆動した後、外部へ排出される。このため、従来の特許文献１に係る水循環回路における凝縮器に相当する機器は不要であり、システムを小型化、軽量化、低コスト化することができる。また、水の場合とは異なり、高い気密性は必要なく、システムを小型化、軽量化、低コスト化するのに有利である。更に、本実施形態によれば、特許文献１に係るシステムとは異なり、作動媒体が水とは異なる空気であり、寒冷環境下でも凍結することがなく、寒冷環境下においても、システムが、始動可能であり、破損するおそれを抑えることができる。
【００４２】
（実施形態２）
図３は、実施形態２の概念を示す。本実施形態のエンジンシステムは、前述した実施形態１のエンジンシステムにおける空気タービン８を、図３に示すように、第２連結軸８１を介して、ターボ過給機４（被駆動機構）に接続したものであり、他の構成については実施形態１と同じである。ターボ過給機４のコンプレッサ４２は、ターボ過給機４の排気タービン４３により回転駆動されると共に、空気タービン８によっても回転駆動される。
【００４３】
ＥＧＲ率が、例えば、５０％程度に大きく設定される場合、ターボ過給機４の排気タービン４３に流入する排気ガスの流量が減少するので、排気タービン４３の動力が低下し、コンプレッサ４２に対する駆動力が不足する。一方、ＥＧＲ通路５に流入するＥＧＲガスの流量は増加するので、ガス‐ガス熱交換器７において、分岐空気通路６を流通する圧縮空気に伝達される熱エネルギーは増加し、空気タービン８において発生する動力は増加する。
【００４４】
本実施形態によれば、高ＥＧＲ率のエンジンシステムにおいて、エンジン１から排出されて排気タービン４３に流入する排気ガス流量の減少により、ターボ過給機４のコンプレッサ４２を回転駆動する排気タービン４３の動力が減少した分を、流量が増加したＥＧＲガスで高温に加熱された圧縮空気により回転駆動される空気タービン８の動力により補うことができる。このため、エンジン１に必要とされる圧縮空気の流量が確保され、高い吸気圧力での運転が可能となり、エンジン１の比出力が向上し、システム全体のエネルギー効率が向上する。その他の作用効果は、実施形態１と基本的に同じである。
【００４５】
（その他）
本発明は、上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。本エンジンシステムは、車両用でも、船舶用でもよいし、ガスヒートポンプ用あるいはコジェネレーション用等の定置用でもよい。車両としては、エンジンからの動力のみを駆動源とする通常車両でもよいし、エンジンおよび走行用モータ（電動モータ）を併有するハイブリッド車両でもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１はエンジン、１１はエンジン構造体、１２は吸気マニホルド（吸気部）、１３は排気マニホルド（排気部）、２は吸気通路、２ａは吸気分岐部、２ｂは吸気合流部、２１はエアクリーナ、２２はインタクーラ、２３は吸気圧力センサ、２４は吸気酸素濃度センサ、３は排気通路、３ａは排気分岐部、３１は排気浄化装置、３２は消音器、３３は排気圧力センサ、３４は排気酸素濃度センサ、３５は排気温度センサ、４はターボ過給機（被駆動機構）、４１は第１連結軸、４２はコンプレッサ、４３は排気タービン、５はＥＧＲ通路、５１はＥＧＲクーラ、５２はＥＧＲバルブ、６は分岐空気通路、６１は吸気分流バルブ、７はガス‐ガス熱交換器、７１はチューブ側通路、７１ａはチューブ側通路入口、７１ｂはチューブ側通路出口、７２はシェル側通路、７２ａはシェル側通路入口、７２ｂはシェル側通路出口、８は空気タービン、８１は第２連結軸、８２は発電機、８３はインバータ、８４は蓄電デバイス、９１はＥＧＲクーラ用冷却液通路、９２はインタクーラ用冷却液通路を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation、排気ガス再循環）機構を備えたターボ過給機付きエンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両等に搭載された内燃エンジンシステムでは、エンジンの排気部から排出された排気ガスの一部をエンジンの吸気部に還流し、吸気の酸素濃度を低下させることにより、エンジンの燃焼温度を下げて、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を低減するＥＧＲが行われている。ＥＧＲを行うための機構として、エンジンシステムには、エンジンの排気部と吸気部とを接続するＥＧＲ通路が設けられる。また、ＥＧＲ通路には、高温の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして再びエンジンに吸入させることによるエンジンの吸気充填効率の低下を防止するため、ＥＧＲクーラが設けられる。ＥＧＲクーラを流れる高温のＥＧＲガスは、例えば、ＥＧＲクーラ用に分流されたエンジン冷却液により冷却され、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーは、エンジン冷却液を介して、エンジン冷却液放熱用のラジエータから外部（大気中）に放出される。このＥＧＲクーラにより冷却されて外部に捨てられていた高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを電力として回収して、システム全体のエネルギー効率を向上させるＥＧＲ機構を備えたターボ過給機付きエンジンシステムが提供されている。このものによれば、ＥＧＲ通路に水循環回路の蒸発器を配設して、循環ポンプで昇圧した液体の水を、ＥＧＲ通路を流れる高温のＥＧＲガスにより加熱して水蒸気とし、その高温高圧の水蒸気により蒸気タービンを回転駆動し、蒸気タービンに接続された発電機で発電を行う。蒸気タービンを駆動して圧力及び温度が低下した水蒸気は、凝縮器で冷却されて液体の水に戻され、循環ポンプに吸入される（特許文献１）。これにより、従来、ＥＧＲクーラにより冷却されて外部に捨てられていた高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを電力として回収でき、システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２４２７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した特許文献１に係るエンジンシステムによれば、作動媒体としての水を循環させることを必須としている。よって、水循環回路には、蒸発器、蒸気タービンのほかに、蒸気タービンから排出された水蒸気を冷却して液体の水に戻す凝縮器と、その液体の水を昇圧して蒸発器に送る循環ポンプとが必要であり、また、水循環回路には、水及び水蒸気の漏れを回避する高い気密性が要求される。そのため、システムが全体として不可避的に大型化、重量化、高コスト化する。
【０００５】
更に、水を作動媒体としており、寒冷環境下においては、エンジン停止時に水が凍結し、システムが始動できなくなったり、氷生成に伴う体積膨張により、システムが破損したりするおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、エンジンから排出された排気ガスの一部である高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを電力または動力として回収し、システム全体のエネルギー効率を向上させることが可能な小型、軽量、低コストであり、更に、寒冷環境下においても、システムが、始動できなくなったり、破損したりするおそれを抑えることができるエンジンシステムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の様相１に係るエンジンシステムは、吸気部と排気部とを有するエンジンと、外部から吸入した空気を含む吸気をエンジンの吸気部に供給する吸気通路と、エンジンの排気部から排出された排気ガスを外部に排出する排気通路と、排気通路に設けられ、エンジンの排気部から排出された排気ガスにより駆動される排気タービンと、吸気通路に設けられ、排気タービンにより駆動され、外部から吸気通路に吸入された空気を圧縮して圧縮空気を吐出するコンプレッサとを有するターボ過給機と、エンジンの排気部から排出された排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてエンジンの吸気部に還流させるＥＧＲ通路とを具備しており、更に、ターボ過給機のコンプレッサよりも下流側の吸気通路から分岐され、ターボ過給機のコンプレッサから吐出された圧縮空気の一部を流通させる分岐空気通路と、ＥＧＲ通路と分岐空気通路との間に設けられ、ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガスの高温の熱エネルギーを、分岐空気通路を流通する圧縮空気に伝達させて、分岐空気通路を流通する圧縮空気を加熱すると共に、ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガスを冷却するガス‐ガス熱交換器と、ガス‐ガス熱交換器から下流側の分岐空気通路に設けられ、発電機または被駆動機構に接続され、ガス‐ガス熱交換器において加熱された圧縮空気により駆動される空気タービンとを具備する。
【０００８】
本様相によれば、ターボ過給機のコンプレッサから吐出された圧縮空気の一部を分岐空気通路に流通させ、ＥＧＲ通路と分岐空気通路との間に設けたガス‐ガス熱交換器において、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを、分岐空気通路を流通する圧縮空気に伝達し、高温に加熱された圧縮空気により空気タービンを回転駆動して、電力または動力として回収でき、システム全体のエネルギー効率が向上する。
【０００９】
また、本様相によれば、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーが伝達され、空気タービンを回転駆動する圧縮空気として、ターボ過給機のコンプレッサから吐出された圧縮空気の一部を利用する。このため、従来の特許文献１に係るシステムとは異なり、作動媒体を昇圧するための循環ポンプに相当する機器が不要であり、システムを小型化、軽量化、低コスト化できると共に、循環ポンプの駆動に必要な動力も削減され、更に、システム全体のエネルギー効率が向上する。
【００１０】
更に、本様相によれば、従来の特許文献１に係るシステムとは異なり、作動媒体は水ではなく、空気であり、外部から吸入され、空気タービンを駆動した後、外部へ排出される。このため、従来の特許文献１に係る水循環回路における凝縮器に相当する機器は不要であり、システムを小型化、軽量化、低コスト化することができる。また、水の場合とは異なり、高い気密性は必要なく、システムを小型化、軽量化、低コスト化するのに有利である。
【００１１】
更に、本様相によれば、特許文献１に係るシステムとは異なり、作動媒体が水とは異なる空気であり、寒冷環境下でも凍結することがなく、寒冷環境下においても、システムが、始動可能であり、破損するおそれを抑えることができる。
【００１２】
本発明の様相２に係るエンジンシステムによれば、上記様相において、吸気通路から分岐空気通路に流入する圧縮空気の流量を調節する吸気分流バルブを具備する。この場合、エンジンの回転数の変化に応じて、吸気分流バルブの開度を制御し、分岐空気通路へ流入する圧縮空気の流量を調節することで、エンジンの吸気圧力を排気圧力に対して所定の圧力だけ低く維持して、ＥＧＲを可能にすると共に、分岐空気通路に流入した圧縮空気を利用して、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを電力または動力として回収でき、システム全体のエネルギー効率が向上する。
【００１３】
本発明の様相３に係るエンジンシステムによれば、上記様相において、被駆動機構がターボ過給機である。この場合、エンジンに供給される吸気のうち、ＥＧＲガスの占める割合の大きい高ＥＧＲ率のエンジンシステムにおいて、エンジンから排出されて排気タービンに流入する排気ガス流量の減少により、ターボ過給機のコンプレッサを回転駆動する排気タービンの動力が減少した分を、流量が増加したＥＧＲガスで高温に加熱されて分岐空気通路を流通する圧縮空気により回転駆動される空気タービンの動力により補うことができる。このため、エンジンに必要とされる圧縮空気の流量が確保され、高い吸気圧力での運転が可能となり、エンジンの比出力が向上し、システム全体のエネルギー効率が向上する。
【００１４】
本発明の様相４に係るエンジンシステムによれば、上記様相において、ガス‐ガス熱交換器が向流形熱交換器である。この場合、互いに逆向きに流れながら熱伝達を行うＥＧＲガスと圧縮空気との間の、ガス‐ガス熱交換器に沿っての各位置での温度差を小さくすることができ、ＥＧＲガスの熱エネルギーを圧縮空気へ伝達する過程での温度低下幅を小さく抑えることができる。このため、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを圧縮空気に効率よく伝達して、電力または動力として回収することができ、システム全体のエネルギー効率が向上する。
【００１５】
本発明の様相５に係るエンジンシステムによれば、上記様相において、空気タービンが可変容量機構を有する半径流タービンである。この場合、分岐空気通路を流れる圧縮空気の流量の変動に応じて、タービンの流量特性を変えることができ、広範囲の圧縮空気流量に対して、効率よく空気タービン作動させることができる。このため、広範囲のエンジン回転数に対して、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを効率よく電力または動力として回収することができ、システム全体のエネルギー効率が向上する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを電力または動力として回収し、システム全体のエネルギー効率を向上させた小型、軽量、低コストであるエンジンシステムを提供することができる。更に、従来技術とは異なり、作動媒体としての水を廃止して、空気を使用するため、寒冷環境下においても、システムが、始動できなくなったり、破損したりするおそれを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態１に係り、エンジンシステムを示す回路図である。
【図２】実施形態１に係り、エンジン回転数と圧力、吸気分流バルブ開度との関係を模式的に示すグラフである。
【図３】実施形態２に係り、エンジンシステムを示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１の概念を示す。エンジンシステムは、図１に示すように、エンジン１と、吸気通路２と、排気通路３と、ターボ過給機４と、ＥＧＲ通路５とを備え、更に、分岐空気通路６と、ガス‐ガス熱交換器７と、空気タービン８とを備えている。
【００１９】
エンジン１は、複数の気筒を直列に配置した往復動ピストン形の内燃エンジンであり、軽油等を燃料とする圧縮着火式でも、ガソリン、液化石油ガス、天然ガス等を燃料とする火花点火式でもよい。エンジン１は、シリンダブロック、シリンダヘッド等からなるエンジン構造体１１と、各気筒に吸入される吸気を分配する吸気マニホルド１２（吸気部）と、各気筒から排出される排気ガスを集合する排気マニホルド１３（排気部）と、図示しないクランク機構及び動弁機構とからなる。エンジン１から出力される動力は、図示しない動力伝達機構を介して車両の走行や、圧縮機等の駆動に利用されるか、あるいは、図示しない発電機を駆動することにより、電力に変換されて利用される。
【００２０】
吸気通路２は、外部から吸入した空気を含む吸気をエンジン１の吸気マニホルド１２に供給する通路であり、一端が外部に開口され、他端がエンジン１の吸気マニホルド１２に接続されている。吸気通路２には、上流側から順に、外部から吸入した空気からダスト等の異物を除去するエアクリーナ２１と、外部から吸入した空気を圧縮して圧縮空気を吐出する遠心式のコンプレッサ４２と、圧縮されて温度上昇した圧縮空気を冷却して、エンジン１の吸気充填効率を向上させるインタクーラ２２とが設けられている。インタクーラ２２を流れる圧縮空気は、インタクーラ用冷却液通路９２を流れるインタクーラ用冷却液により冷却される。
【００２１】
排気通路３は、エンジン１の排気マニホルド１３から排出された排気ガスを外部に排出する通路であり、一端がエンジン１の排気マニホルド１３に接続され、他端が外部に開口されている。排気通路３には、上流側から順に、エンジン１から排出された排気ガスにより回転駆動される半径流式の排気タービン４３と、排気ガス中に含まれる有害成分を浄化する触媒等の排気浄化装置３１と、排気騒音を低減する消音器３２とが設けられている。
【００２２】
吸気通路２に設けられたコンプレッサ４２と、排気通路３に設けられた排気タービン４３とが、第１連結軸４１により接続され、ターボ過給機４が構成される。エンジン１から排出された排気ガスにより、排気タービン４３が回転駆動され、排気タービン４３により、コンプレッサ４２が回転駆動される。
【００２３】
ＥＧＲ通路５は、エンジン１の排気マニホルド１３から排出された高温の排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてエンジン１の吸気マニホルド１２に還流させる通路である。ＥＧＲ通路５の上流側の一端は、排気通路３の排気分岐部３ａに接続され、ＥＧＲ通路５の下流側の他端は、吸気通路２の吸気合流部２ｂに接続されている。なお、インタクーラ２２と吸気合流部２ｂとの間の吸気通路２には、エンジン１の出力調節用の図示しないスロットルバルブが設けられる場合もある。
【００２４】
ターボ過給機４のコンプレッサ４２から延設された下流側の吸気通路２の吸気分岐部２ａから、分岐空気通路６が分岐されている。分岐空気通路６には、コンプレッサ４２から吐出された圧縮空気の一部が流通される。吸気分岐部２ａは、特に限定されないが、吸気通路２において吸気合流部２ｂよりも上流側に設けられることが好ましい。また、吸気分岐部２ａは、吸気通路２においてインタークーラ２２の上流側に設けられていることが好ましい。なお、インタークーラ２２は吸気合流部２ｂよりも下流側の吸気通路２に設けても良い。
【００２５】
分岐空気通路６とＥＧＲ通路５との間には、ガス‐ガス熱交換器７が設けられている。ガス‐ガス熱交換器７は、ＥＧＲ通路５を流通する高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを、分岐空気通路６を流通する圧縮空気に伝達させて、圧縮空気を加熱すると共にＥＧＲガスを冷却する向流形熱交換器である。向流形熱交換器は、熱伝達を行う２つの媒体の流れる向きが互いに逆向きである熱交換器である。ガス‐ガス熱交換器７において、ＥＧＲガスは、チューブ側通路７１を、チューブ側通路入口７１ａからチューブ側通路出口７１ｂに向けて流れ、圧縮空気は、シェル側通路７２を、シェル側通路入口７２ａからシェル側通路出口７２ｂに向けて流れる。ガス‐ガス熱交換器７に沿っての各位置で、チューブ側通路７１を流れる相対的に圧縮空気よりも高温のＥＧＲガスの熱エネルギーが、シェル側通路７２を流れる相対的にＥＧＲガスより低温の圧縮空気に伝達される。ガス‐ガス熱交換器７は、向流形熱交換器であるため、互いに逆向きに流れながら熱伝達を行うＥＧＲガスと圧縮空気との間の、ガス‐ガス熱交換器に沿っての各位置での温度差を小さくすることができ、ＥＧＲガスの熱エネルギーを圧縮空気へ伝達する過程での温度低下幅を小さく抑えることができる。これにより、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを圧縮空気に効率よく伝達することができる。
【００２６】
ガス‐ガス熱交換器７から下流側のＥＧＲ通路５には、ガス‐ガス熱交換器７において冷却されたＥＧＲガスを更に冷却するためのＥＧＲクーラ５１が設けられている。ＥＧＲクーラ５１を流れるＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ用冷却液通路９１を流れるエンジン冷却液により冷却される。ガス‐ガス熱交換器７において、高温のＥＧＲガスは、圧縮空気により冷却されるため、ＥＧＲクーラ５１でのＥＧＲガスの必要冷却熱量は、従来に比べて大きく減少する。このため、従来から使用されていたＥＧＲクーラを小型化、軽量化、低コスト化することができる。場合によっては、従来から使用されていたＥＧＲクーラを廃止することもできる。
【００２７】
ガス‐ガス熱交換器７よりも下流側の分岐空気通路６には、空気タービン８が設けられている。空気タービン８は、ガス‐ガス熱交換器７でＥＧＲガスにより加熱された高温の圧縮空気により回転駆動される。空気タービン８は、内部に図示しない可変容量機構を有する半径流タービンである。空気タービン８の可変容量機構としては、スクロール入口の面積を可動式フラップで連続可変にする可動フラップ式や、羽根車周囲に設けた可変ノズル羽根を揺動させてノズル面積を変える可変ノズル羽根式等が例示される。空気タービン８は、分岐空気通路６を流れる圧縮空気の流量変動に応じて、タービンの流量特性を変えることができ、広範囲の圧縮空気流量に対して、効率よく空気タービンを作動させることができる。
【００２８】
空気タービン８には、第２連結軸８１を介して発電機８２が接続されており、空気タービン８により、発電機８２が回転駆動され、発電が行われる。発電された電力は、インバータ８３を介して、蓄電池またはキャパシタ等の蓄電デバイス８４に蓄電されるか、あるいは、補機類８６を駆動するモータ８５に供給される。吸気通路２の吸気合流部２ｂと吸気マニホルド１２との間には、エンジン１に吸入される吸気の酸素濃度を検知する吸気酸素濃度センサ２４と、吸気圧力を検知する吸気圧力センサ２３とが設けられている。排気通路３の排気マニホルド１３と排気分岐部３ａとの間には、エンジン１から排出される排気ガスの酸素濃度を検知する排気酸素濃度センサ３４と、排気圧力を検知する排気圧力センサ３３と、排気温度を検知する排気温度センサ３５とが設けられている。
【００２９】
ＥＧＲクーラ５１と吸気合流部２ｂとの間のＥＧＲ通路５には、ＥＧＲ通路５を流れるＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲバルブ５２が設けられている。ＥＧＲバルブ５２の開度は、吸気酸素濃度センサ２４及び排気酸素濃度センサ３４の計測値から算出される実ＥＧＲ率（エンジン１に吸入される吸気のうち、ＥＧＲガスの占める割合）が、エンジン１の回転数やエンジン１への燃料供給量から算出される目標ＥＧＲ率になるように、図示しない制御装置により制御される。
【００３０】
吸気分岐部２ａから下流側の分岐空気通路６には、吸気分流バルブ６１が設けられている。図２は、エンジン１の回転数が変化した場合の、吸気圧力センサ２３により計測される吸気圧力（特性線ａ）、排気圧力センサ３３により計測される排気圧力（特性線ｂ）、吸気分流バルブ６１の開度（特性線ｃ）について示したものである。ＥＧＲを行うためには、吸気圧力が排気圧力に対して、所定の圧力だけ低くなっていることが必要であり、図中の特性線ｃで示したように、エンジン１の回転数の変化に応じて、吸気分流バルブ６１の開度が図示しない制御装置により制御される。吸気分流バルブ６１の開度を制御することにより、分岐空気通路６に流入する圧縮空気の流量が調節されて、ＥＧＲを可能にすると共に、余剰の圧縮空気が分岐空気通路６に流通され、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーが電力として回収される。なお、エンジンシステムの冷間始動等で、暖機運転を行う場合には、吸気分流バルブ６１は全閉とされる。排気通路３に設けた排気温度センサ３５により計測される排気ガスの温度が所定の温度以上に上昇し、エンジンシステムの暖機が完了したと判断されると、吸気分流バルブ６１が開けられる。
【００３１】
次に、本実施形態のエンジンシステムの作用について説明する。本実施形態に係るエンジンシステムの通常運転時（暖機完了後の非アイドリング運転時）には、エンジン１に、燃料燃焼により、例えば、熱として５０ｋＷが入力され、エンジン１から、例えば、動力として１５ｋＷが出力され、排気ガスとして２０ｋＷの熱が８００℃の温度で排出される。このときのエンジン１のエネルギー効率（＝動力出力／熱入力）は、３０％である。
【００３２】
ＥＧＲバルブ５２及び吸気分流バルブ６１の開度が制御されることにより、排気圧力が、例えば、絶対圧力で０．３５ＭＰａ（以下、圧力は、絶対圧力を示すものとする。）に、吸気圧力が、例えば、０．３０ＭＰａに調節され、エンジン１から排出された排気ガスのうち、例えば、３０％がＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路５に流入し、残りの７０％により排気タービン４３が回転駆動される。この場合、ＥＧＲガスとして６ｋＷの熱がＥＧＲ通路に流入する。そして、排気タービン４３により回転駆動されたコンプレッサ４２から圧縮空気が、例えば、圧力が０．３２ＭＰａ、温度が１５０℃で吐出され、その圧縮空気のうち、例えば、７０％がエンジン１へ向けてインタクーラ２２に流入し、余剰の３０％が分岐空気通路６に流入する。
【００３３】
ＥＧＲ通路５に流入したＥＧＲガスは、ガス‐ガス熱交換器７のチューブ側通路入口７１ａに、例えば、７５０℃で流入し、分岐空気通路６に流入した圧縮空気は、ガス‐ガス熱交換器７のシェル側通路入口７２ａに、例えば、１４０℃で流入する。ガス‐ガス熱交換器７に沿っての各位置において、相対的に温度の高いチューブ側通路７１を流れるＥＧＲガスの熱エネルギーが、相対的に温度の低いシェル側通路７２を流れる圧縮空気に伝達され、圧縮空気は、例えば、６５０℃に加熱されてシェル側通路出口７２ｂから流出し、ＥＧＲガスは、例えば、２００℃に冷却されてチューブ側通路出口７１ｂから流出する。これにより、ガス‐ガス熱交換器７において、ＥＧＲガスから圧縮空気に、例えば、５ｋＷの熱が、６５０℃の高温に維持されて伝達される。ガス‐ガス熱交換器７は、向流形熱交換器であるため、ＥＧＲガスの熱エネルギーを圧縮空気へ伝達する過程で、温度低下幅を１００℃に抑えることができ、熱エネルギーを効率よく伝達することができる。
【００３４】
６５０℃の高温に加熱された圧縮空気は、分岐空気通路６から空気タービン８に流入して、空気タービン８を回転駆動する。空気タービン８に流入する前の圧縮空気の圧力は、例えば、０．３ＭＰａとなり、空気タービン８から排出される圧縮空気の圧力は、例えば、０．１ＭＰａとなる。このとき、空気タービン８での熱‐動力変換の理論効率は４０％となる。空気タービン８は、内部の可変容量機構の制御により、例えば、タービン効率が８５％で作動可能であり、空気タービン８の実際の熱‐動力変換効率は、３４％となる。その結果、ＥＧＲガスから圧縮空気に伝達された５ｋＷの熱のうち、１．７ｋＷが動力に変換される。
【００３５】
更に、空気タービン８は、発電機８２を回転駆動し、発電が行われる。発電機８２の発電機効率は、例えば、８８％にでき、発電機８２から１．５ｋＷの電力が出力される。この電力は、エンジン１への熱入力５０ｋＷの３％にあたり、エンジン１のエネルギー効率の３０％とあわせると、システム全体のエネルギー効率は３３％となる。エンジン１のエネルギー効率の３０％を基準にすると、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを電力として回収することにより、システム全体のエネルギー効率が、１０％向上される。
【００３６】
空気タービン８を駆動して、圧力及び温度が低下した空気は、空気分岐通路６から外部へ排出される。
【００３７】
ＥＧＲクーラ５１に流入したＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ用冷却液通路９１を流れるエンジン冷却液により、例えば、１００℃の温度まで冷却される。ＥＧＲクーラ５１で冷却されたＥＧＲガスは、ＥＧＲバルブ５２を通って、吸気合流部２ｂにおいて、インタクーラ２２で冷却された圧縮空気と合流して、エンジン１に吸入される。
【００３８】
上記した本実施形態によれば、次のような作用効果が得られる。
【００３９】
ターボ過給機４のコンプレッサ４２から吐出された圧縮空気の一部を分岐空気通路６に流通させ、ＥＧＲ通路５と分岐空気通路６との間に設けたガス‐ガス熱交換器７において、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーを、分岐空気通路６を流通する圧縮空気に伝達し、高温に加熱された圧縮空気により空気タービン８を回転駆動して、電力または動力として回収でき、システム全体のエネルギー効率が向上する。
【００４０】
また、本実施形態によれば、高温のＥＧＲガスの熱エネルギーが伝達され、空気タービン８を回転駆動する圧縮空気として、ターボ過給機４のコンプレッサ４２から吐出された圧縮空気の一部を利用する。このため、従来の特許文献１に係るシステムとは異なり、作動媒体を昇圧するための循環ポンプに相当する機器が不要であり、システムを小型化、軽量化、低コスト化できると共に、循環ポンプの駆動に必要な動力も削減され、更に、システム全体のエネルギー効率が向上する。
【００４１】
更に、本実施形態によれば、従来の特許文献１に係るシステムとは異なり、作動媒体は水ではなく、空気であり、外部から吸入され、空気タービン８を駆動した後、外部へ排出される。このため、従来の特許文献１に係る水循環回路における凝縮器に相当する機器は不要であり、システムを小型化、軽量化、低コスト化することができる。また、水の場合とは異なり、高い気密性は必要なく、システムを小型化、軽量化、低コスト化するのに有利である。更に、本実施形態によれば、特許文献１に係るシステムとは異なり、作動媒体が水とは異なる空気であり、寒冷環境下でも凍結することがなく、寒冷環境下においても、システムが、始動可能であり、破損するおそれを抑えることができる。
【００４２】
（実施形態２）
図３は、実施形態２の概念を示す。本実施形態のエンジンシステムは、前述した実施形態１のエンジンシステムにおける空気タービン８を、図３に示すように、第２連結軸８１を介して、ターボ過給機４（被駆動機構）に接続したものであり、他の構成については実施形態１と同じである。ターボ過給機４のコンプレッサ４２は、ターボ過給機４の排気タービン４３により回転駆動されると共に、空気タービン８によっても回転駆動される。
【００４３】
ＥＧＲ率が、例えば、５０％程度に大きく設定される場合、ターボ過給機４の排気タービン４３に流入する排気ガスの流量が減少するので、排気タービン４３の動力が低下し、コンプレッサ４２に対する駆動力が不足する。一方、ＥＧＲ通路５に流入するＥＧＲガスの流量は増加するので、ガス‐ガス熱交換器７において、分岐空気通路６を流通する圧縮空気に伝達される熱エネルギーは増加し、空気タービン８において発生する動力は増加する。
【００４４】
本実施形態によれば、高ＥＧＲ率のエンジンシステムにおいて、エンジン１から排出されて排気タービン４３に流入する排気ガス流量の減少により、ターボ過給機４のコンプレッサ４２を回転駆動する排気タービン４３の動力が減少した分を、流量が増加したＥＧＲガスで高温に加熱された圧縮空気により回転駆動される空気タービン８の動力により補うことができる。このため、エンジン１に必要とされる圧縮空気の流量が確保され、高い吸気圧力での運転が可能となり、エンジン１の比出力が向上し、システム全体のエネルギー効率が向上する。その他の作用効果は、実施形態１と基本的に同じである。
【００４５】
（その他）
本発明は、上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。本エンジンシステムは、車両用でも、船舶用でもよいし、ガスヒートポンプ用あるいはコジェネレーション用等の定置用でもよい。車両としては、エンジンからの動力のみを駆動源とする通常車両でもよいし、エンジンおよび走行用モータ（電動モータ）を併有するハイブリッド車両でもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１はエンジン、１１はエンジン構造体、１２は吸気マニホルド（吸気部）、１３は排気マニホルド（排気部）、２は吸気通路、２ａは吸気分岐部、２ｂは吸気合流部、２１はエアクリーナ、２２はインタクーラ、２３は吸気圧力センサ、２４は吸気酸素濃度センサ、３は排気通路、３ａは排気分岐部、３１は排気浄化装置、３２は消音器、３３は排気圧力センサ、３４は排気酸素濃度センサ、３５は排気温度センサ、４はターボ過給機（被駆動機構）、４１は第１連結軸、４２はコンプレッサ、４３は排気タービン、５はＥＧＲ通路、５１はＥＧＲクーラ、５２はＥＧＲバルブ、６は分岐空気通路、６１は吸気分流バルブ、７はガス‐ガス熱交換器、７１はチューブ側通路、７１ａはチューブ側通路入口、７１ｂはチューブ側通路出口、７２はシェル側通路、７２ａはシェル側通路入口、７２ｂはシェル側通路出口、８は空気タービン、８１は第２連結軸、８２は発電機、８３はインバータ、８４は蓄電デバイス、９１はＥＧＲクーラ用冷却液通路、９２はインタクーラ用冷却液通路を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気部と排気部とを有するエンジンと、
外部から吸入した空気を含む吸気を前記エンジンの前記吸気部に供給する吸気通路と、
前記エンジンの前記排気部から排出された排気ガスを外部に排出する排気通路と、
前記排気通路に設けられ、前記エンジンの前記排気部から排出された排気ガスにより駆動される排気タービンと、前記吸気通路に設けられ、前記排気タービンにより駆動され、外部から前記吸気通路に吸入された空気を圧縮して圧縮空気を吐出するコンプレッサとを有するターボ過給機と、
前記エンジンの前記排気部から排出された排気ガスの一部をＥＧＲガスとして前記エンジンの前記吸気部に還流させるＥＧＲ通路とを具備しており、更に、
前記ターボ過給機の前記コンプレッサよりも下流側の前記吸気通路から分岐され、前記ターボ過給機の前記コンプレッサから吐出された前記圧縮空気の一部を流通させる分岐空気通路と、
前記ＥＧＲ通路と前記分岐空気通路との間に設けられ、前記ＥＧＲ通路を流通する前記ＥＧＲガスの高温の熱エネルギーを、前記分岐空気通路を流通する前記圧縮空気に伝達させて、前記分岐空気通路を流通する前記圧縮空気を加熱すると共に、前記ＥＧＲ通路を流通する前記ＥＧＲガスを冷却するガス‐ガス熱交換器と、
前記ガス‐ガス熱交換器から下流側の前記分岐空気通路に設けられ、発電機または被駆動機構に接続され、前記ガス‐ガス熱交換器において加熱された前記圧縮空気により駆動される空気タービンとを具備するエンジンシステム。
【請求項２】
請求項１において、前記吸気通路から前記分岐空気通路に流入する前記圧縮空気の流量を調節する吸気分流バルブを具備するエンジンシステム。
【請求項３】
請求項１、２のいづれかにおいて、前記被駆動機構が前記ターボ過給機であるエンジンシステム。
【請求項４】
請求項１〜３のいづれか１項において、前記ガス‐ガス熱交換器が向流形熱交換器であるエンジンシステム。
【請求項５】
請求項１〜４のいづれか１項において、前記空気タービンが可変容量機構を有する半径流タービンであるエンジンシステム。
【請求項１】
吸気部と排気部とを有するエンジンと、
外部から吸入した空気を含む吸気を前記エンジンの前記吸気部に供給する吸気通路と、
前記エンジンの前記排気部から排出された排気ガスを外部に排出する排気通路と、
前記排気通路に設けられ、前記エンジンの前記排気部から排出された排気ガスにより駆動される排気タービンと、前記吸気通路に設けられ、前記排気タービンにより駆動され、外部から前記吸気通路に吸入された空気を圧縮して圧縮空気を吐出するコンプレッサとを有するターボ過給機と、
前記エンジンの前記排気部から排出された排気ガスの一部をＥＧＲガスとして前記エンジンの前記吸気部に還流させるＥＧＲ通路とを具備しており、更に、
前記ターボ過給機の前記コンプレッサよりも下流側の前記吸気通路から分岐され、前記ターボ過給機の前記コンプレッサから吐出された前記圧縮空気の一部を流通させる分岐空気通路と、
前記ＥＧＲ通路と前記分岐空気通路との間に設けられ、前記ＥＧＲ通路を流通する前記ＥＧＲガスの高温の熱エネルギーを、前記分岐空気通路を流通する前記圧縮空気に伝達させて、前記分岐空気通路を流通する前記圧縮空気を加熱すると共に、前記ＥＧＲ通路を流通する前記ＥＧＲガスを冷却するガス‐ガス熱交換器と、
前記ガス‐ガス熱交換器から下流側の前記分岐空気通路に設けられ、発電機または被駆動機構に接続され、前記ガス‐ガス熱交換器において加熱された前記圧縮空気により駆動される空気タービンとを具備するエンジンシステム。
【請求項２】
請求項１において、前記吸気通路から前記分岐空気通路に流入する前記圧縮空気の流量を調節する吸気分流バルブを具備するエンジンシステム。
【請求項３】
請求項１、２のいづれかにおいて、前記被駆動機構が前記ターボ過給機であるエンジンシステム。
【請求項４】
請求項１〜３のいづれか１項において、前記ガス‐ガス熱交換器が向流形熱交換器であるエンジンシステム。
【請求項５】
請求項１〜４のいづれか１項において、前記空気タービンが可変容量機構を有する半径流タービンであるエンジンシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−３２７５１（Ｐ２０１３−３２７５１Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６９７５９（Ｐ２０１１−１６９７５９）
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
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