内燃機関の排気エネルギー回収装置
【課題】内燃機関の排気エネルギー回収装置に関し、排気ガス性能や燃費性能の悪化を効果的に抑制しつつ、排気エネルギーの回収を効率的に行う。
【解決手段】ターボ過給機２０よりも上流側に位置する排気系１５，１６とターボ過給機２０よりも下流側に位置する吸気系１１，１２とを連通する高圧ＥＧＲ通路２５を有する内燃機関の排気エネルギー回収装置１であって、高圧ＥＧＲ通路２５に、高圧ＥＧＲ通路２５を流れる環流排気からエネルギーを回収するエネルギー回収手段３０を設けた。
【解決手段】ターボ過給機２０よりも上流側に位置する排気系１５，１６とターボ過給機２０よりも下流側に位置する吸気系１１，１２とを連通する高圧ＥＧＲ通路２５を有する内燃機関の排気エネルギー回収装置１であって、高圧ＥＧＲ通路２５に、高圧ＥＧＲ通路２５を流れる環流排気からエネルギーを回収するエネルギー回収手段３０を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ＥＧＲ通路を有する内燃機関の排気エネルギー回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関を使用する自動車エンジンや産業エンジン等への排気ガス規制は厳しくなる傾向にある。また、排気ガス規制と同様に、世界的な地球温暖化対応として、燃費規制も厳しくなる傾向にある。これらの規制に対応すべく、近年のエンジン技術開発としては、例えば、ハイブリッド化やエネルギー回生が急速に進んでいる。特に、内燃機関のエンジン本体においては、排気エネルギーを回収するターボコンパウンドエンジンのシステム開発が行われている。
【０００３】
一般的に、内燃機関においては、ガソリンエンジンに対してディーゼルエンジンの方が熱効率は高く燃費も優れている。しかし、ディーゼルエンジンであっても、熱効率は４０〜５０％程度にとどまり、１００％の燃料に対して５５〜６０％の燃料が損失されていることになる。係る損失のなかで排気損失が特に大きく、エンジンの熱効率を向上させるためには、排気エネルギーを効率よく回収することが有効と考えられている。
【０００４】
このように、排気エネルギーを効率よく回収するシステムとして、例えば、エンジンの排気ガスライン上に取り付けたターボ過給機のターボシャフト本体に発電装置を組み込み、この発電装置で発電した電力でモータを駆動させるとともに、モータの駆動力をエンジンのアシスト力として、エンジン出力軸に連結されたギヤ又はベルトを介して伝達する排気エネルギー回収システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、エンジン排気ライン上にターボ過給機を設け、このターボ過給機よりも下流側のエンジン排気ラインにターボジェネレータを取り付けた排気エネルギー回収システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−３３６６８号公報
【特許文献２】特開２００７−８５２２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前述のターボ過給機のターボシャフト本体に発電装置を組み込んだシステムにおいては、ターボシャフト本体の重量が発電装置を有さない通常のターボ過給機のターボシャフト本体よりも増加する。したがって、発電を行っていない状態であっても、係る発電装置の重量によってターボの応答性が悪化し、エンジンの排気ガス性能や燃費性能も悪化する可能性がある。
【０００８】
また、前述のターボ過給機よりも下流の排気通路にターボジェネレータを設けたシステムでは、ターボの応答性悪化は解消するものの、ターボジェネレータよりも前段で上流側に設けられたターボ過給機によって排気エネルギーが回収されてしまうため、排気エネルギーの回収効率が低下する。さらに、エンジンの排気ガスライン上にフリクションの大きいターボジェネレータを設けているので、エンジン本体の排気圧力損失（エンジンのポンピング）が増加され、エンジンの排気ガス性能や燃費性能が悪化する可能性がある。
【０００９】
本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、その目的は、高圧ＥＧＲ通路を有する内燃機関の排気エネルギー回収装置に関し、内燃機関の排気ガス性能や燃費性能の悪化を効果的に抑制しつつ、排気エネルギーの回収を効率的に行うことができる内燃機関の排気エネルギー回収装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の内燃機関の排気エネルギー回収装置は、ターボ過給機よりも上流側に位置する排気系と前記ターボ過給機よりも下流側に位置する吸気系とを連通する高圧ＥＧＲ通路を有する内燃機関の排気エネルギー回収装置であって、前記高圧ＥＧＲ通路には、前記高圧ＥＧＲ通路を流れる環流排気からエネルギーを回収するエネルギー回収手段が設けられることを特徴とする。
【００１１】
また、前記高圧ＥＧＲ通路に前記環流排気を冷却するＥＧＲクーラを有するとともに、前記エネルギー回収手段は、前記ＥＧＲクーラよりも環流排気流れの上流側に位置する前記高圧ＥＧＲ通路に設けられるようにしてもよい。
【００１２】
また、前記エネルギー回収手段は、前記高圧ＥＧＲ通路に設けられるタービン翼と、前記タービン翼に接続されるともに、前記タービン翼の回転により発電する発電装置とを備えるようにしてもよい。
【００１３】
また、前記発電装置で発電される電力で駆動する電動モータと、前記電動モータの出力軸と前記内燃機関の出力軸とを接続するとともに、前記電動モータの駆動力を前記内燃機関の出力軸に伝達する動力伝達手段とをさらに有するようにしてもよい。
【００１４】
また、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段によって検出される運転状態に応じて、前記発電装置の作動を制御する発電装置作動制御手段と、前記運転状態検出手段によって検出される運転状態に応じて、前記電動モータの作動を制御する電動モータ作動制御手段とをさらに有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の高圧ＥＧＲ通路を有する内燃機関の排気エネルギー回収装置によれば、内燃機関の排気ガス性能や燃費性能の悪化を効果的に抑制しつつ、排気エネルギーの回収を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気エネルギー回収装置を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気エネルギー回収装置の制御部（ＥＣＵ）を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気エネルギー回収装置によるタービンジェネレータ作動制御を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気エネルギー回収装置によるモータ作動制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面により、本発明に係る一実施形態について説明する。
【００１８】
図１〜４は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気エネルギー回収装置１を説明するものである。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態に係る内燃機関は、６気筒のディーゼルエンジン（以下、エンジンという）１０である。エンジン１０の各気筒の吸気口には、吸気マニホールド１１を介して吸気通路１２が接続されている。また、吸気通路１２には、上流側から順に、エアクリーナ１３と、マスエアフローセンサ１４と、ターボ過給機２０を構成するコンプレッサ２１と、吸気を冷却するインタクーラ２３とが設けられている。また、エンジン１０の各気筒の排出口には、排気マニホールド１５を介して排気通路１６が接続され、この排気通路１６にはターボ過給機２０を構成するタービン２２が設けられている。
【００２０】
ターボ過給機２０は、いわゆる可変型ターボ過給機（バリアブル・ジオメトリー・ターボチャージャ）であって、可変翼（不図示）の角度調節により、タービン２２への排気流通面積を調整し、タービン効率を制御するように構成されている。
【００２１】
さらに、排気マニホールド１５には、エンジン１０から排出された排気の一部を高圧で吸気マニホールド１１に再循環させる高圧ＥＧＲ装置２４が備えられている。この高圧ＥＧＲ装置２４には、タービンジェネレータ（エネルギー回収手段）３０と、高圧ＥＧＲ通路２５と、ＥＧＲクーラ２６と、ＥＧＲ弁２７とを備えている。本実施形態において、高圧ＥＧＲ通路２５は、排気マニホールド１５と吸気マニホールド１１とを連通するものとして説明するが、例えば、ターボ過給機２０よりも上流の排気通路１６とインタクーラ２３よりも下流の吸気通路１２とを連通するように構成してもよい。
【００２２】
タービンジェネレータ３０は、図１に示すように、ＥＧＲクーラ２６よりも排気マニホールド１５側の高圧ＥＧＲ通路２５に設けられたタービン翼３１と、タービン翼３１に接続されたタービンシャフト３２と、タービンシャフト３２に冷間焼き嵌めによって嵌合接合された永久磁石３３と、超高速回転による永久磁石３３の破壊を防ぐべく、外周を覆うように形成された繊維状のセラミックス材からなる円筒状のケース本体３４とを備え構成されている。また、外周部であるケース本体３４には、大量のコイル（不図示）が巻き付けられており、高圧ＥＧＲ通路２５を通って再循環される環流排気（以下、高圧ＥＧＲガスという）によってタービン翼３１が回転され、タービンシャフト３２が回転することによって、高出力の発電を可能に構成されている。
【００２３】
また、図１に示すように、本実施形態に係る内燃機関の排気エネルギー回収装置１は、コンバータ４０と、バッテリ４１と、インバータ４２と、電動モータ４３と、パワートレイン（動力伝達手段）４４とを備え構成されている。
【００２４】
コンバータ４０は、タービンジェネレータ３０から供給される交流電力を整流するとともに、所定電圧に変換した直流電力をバッテリ４１へと供給する。また、バッテリ４１は、コンバータ４０から供給された直流電力を蓄電するとともに、この蓄電された直流電力をインバータ４２へと供給する。また、インバータ４２は、バッテリ４１から供給される直流電力を所定周波数の交流電力に変換するとともに、この交流電力を電動モータ４３へと供給するように構成されている。
【００２５】
電動モータ４３は高出力仕様のモータであって、タービンジェネレータ３０からコンバータ４０、バッテリ４１、インバータ４２を介して供給される電力で駆動する。また、電動モータ４３の出力軸４３ａは、図１に示すように、図示しないギヤを備えたパワートレイン４４を介してエンジン１０の出力シャフト１０ａに接続されている。すなわち、電動モータ４３は、タービンジェネレータ３０で発電した電力をエンジン１０の出力シャフト１０ａにエネルギー回生（エンジン１０の出力をアシスト）するように構成されている。
【００２６】
なお、本実施形態において、電動モータ４３は高出力仕様のモータであるので、パワートレイン４４にはギヤが用いられているが、例えば、ベルトや流体クラッチを介して電動モータ４３の駆動力をエンジン１０の出力シャフト１０ａに伝達するように構成することもできる。また、コンバータ４０やインバータ４２は別体に設けられるものとして説明したが、例えば、コンバータ４０をタービンジェネレータ３０に内蔵した一体型としてもよく、インバータ４２を電動モータ４３に内蔵した一体型とすることもできる。
【００２７】
以上述べたように構成された排気エネルギー回収装置１には、エンジン１０の各種制御を行うための電子制御ユニットであるＥＣＵ６０が設けられている。このＥＣＵ６０は、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。
【００２８】
また、ＥＣＵ６０には、エンジン１０の各種制御を行うために、エンジン回転センサ３５、マスエアフローセンサ１４、エンジンブーストセンサ３６、アクセル開度センサ（不図示）等が電気配線を介して接続されており、これら各種センサの出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力される。
【００２９】
また、ＥＣＵ６０には、基本エンジンマップ（横軸をエンジン回転数、縦軸を燃料噴射量としたマップ）が予め記憶されており、この基本エンジンマップと各種センサの検出値とに基づいて、エンジン１０を最適な運転状態に制御している。
【００３０】
さらに、ＥＣＵ６０は、図２に示すように、ＥＧＲ制御部６１と、タービンジェネレータ作動制御部（発電装置作動制御手段）６２と、モータ作動制御部（電動モータ作動制御手段）６３と、モータ作動加速判定部６４と、バッテリ充電状態判定部６５とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ６０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
【００３１】
ＥＧＲ制御部６１は、高圧ＥＧＲ装置２４に設けられたＥＧＲ弁２７の開度を調整することでＥＧＲガス量を制御する。このＥＧＲ制御部６１には、エンジン回転数及びエンジン負荷に応じたＥＧＲガス量の目標値を示すＥＧＲガス量マップが予め記憶されている。すなわち、ＥＧＲ制御部６１は、このＥＧＲガス量マップからエンジン回転数及びエンジン負荷に応じた指示値を算出するとともに、算出した指示値を出力してＥＧＲ弁２７の開度を調整することで、ＥＧＲガス量を制御するように構成されている。
【００３２】
また、ＥＧＲ制御部６１は、エンジン１０の過渡運転中における運転状態に応じたフィードバック過渡制御も行うように構成されている。このフィードバック過渡制御は、エンジン１０の過渡運転中にターボ応答遅れ等によって吸気流量が低下する場合があり、係る吸気流量の低下を抑制するために行うものである。具体的には、ＥＧＲ制御部６１は、マスエアフローセンサ１４やエンジンブーストセンサ３６の出力値に応じてエンジン１０の運転状態を判断する。そして、ＥＧＲ制御部６１は、この判断したエンジン１０の運転状態に応じて、吸気流量を増加させるべくターボ過給機２０の開度を絞る制御や、新規空気流量を増加させるべくＥＧＲ弁２７の開度を減少させる制御等のフィードバック過渡制御を行うように構成されている。
【００３３】
タービンジェネレータ作動制御部６２は、タービンジェネレータ３０の作動すなわち、タービンジェネレータ３０による発電を制御する。このタービンジェネレータ作動制御部６２には、横軸をエンジン回転数、縦軸を燃料噴射量としたタービンジェネレータ基本作動マップ（不図示）が予め記憶されている。また、このタービンジェネレータ基本作動マップにはタービンジェネレータ基本作動領域が設定されている。タービンジェネレータ基本作動領域としては、例えば、ＥＧＲガス量が多く且つ安定している状態で、エンジン回転数が中速領域以上でかつ、エンジン負荷も中負荷領域以上の運転領域が設定されている。すなわち、タービンジェネレータ作動制御部６２は、エンジン１０の運転状態がタービンジェネレータ基本作動領域にあるときに、タービンジェネレータ３０に作動指令信号を出力するように構成されている。
【００３４】
また、タービンジェネレータ作動制御部６２は、ＥＧＲ制御部６１によるＥＧＲ弁２７の制御に応じて、タービンジェネレータ３０の作動も調整又は停止させるＥＧＲフィードバック制御を行う。このＥＧＲフィードバック制御は、エンジン１０の運転状態がタービンジェネレータ基本作動マップ上のタービンジェネレータ基本作動領域にある場合であっても、ＥＧＲ弁２７の開度はＥＧＲ制御部６１によるフィードバック過渡制御によって調整又は全閉されることがあり、これに伴いタービンジェネレータ３０の作動も調整又は停止させるものである。
【００３５】
さらに、タービンジェネレータ作動制御部６２は、タービンジェネレータ３０に設けられたタービンジェネレータ回転センサ（不図示）の検出値に応じて、エンジン１０の過渡運転中にタービンジェネレータ３０の作動を調整又は停止させるタービンジェネレータ回転数フィードバック制御も行う。このタービンジェネレータ回転数フィードバック制御は、タービンジェネレータ３０の回転数が低下しすぎると十分な発電量を得られず、また、タービンジェネレータ３０の負荷（フリクション）が増加しすぎると高圧ＥＧＲガスの応答性が悪化し、エンジン１０の排気ガス性能にも悪影響を与えてしまうため、これらの現象を抑制するために行うのである。具体的には、基本エンジンマップ上にエンジン１０の性能に影響を与えないタービンジェネレータリミット回転数（以下、リミット回転数という）を設定し、タービンジェネレータ回転センサの検出値がこのリミット回転数に達しているか否かで、タービンジェネレータ３０の作動を調整又は停止するように構成されている。
【００３６】
モータ作動制御部６３は、バッテリ４１からインバータ４２を介して供給される交流電力で駆動する電動モータ４３の作動を制御する。このモータ作動制御部６３には、モータ作動基本マップ（不図示）が予め記憶されている。モータ作動基本マップは、横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジン出力としたマップ上に、予め実験等で作成した電動モータ４３によるアシスト効率を最大限に引き出すモータ作動領域が設定されている。すなわち、モータ作動制御部６３は、モータ作動基本マップ上でエンジン１０のエンジン回転数とエンジン出力とがモータ作動領域になった場合に、電動モータ４３に作動指令信号を出力するように構成されている。
【００３７】
モータ作動加速判定部６４は、エンジン１０にトルクアシストが必要となるエンジン１０の加速要求状態を判定する。具体的には、モータ作動加速判定部６４には、燃料流量センサ（不図示）の検出値が出力されている。モータ作動加速判定部６４は、この燃料流量センサの出力に応じて、前回燃料噴射時の燃料流量に対する今回燃料噴射時の燃料流量の増加割合を算出してエンジン１０の加速状態を判定する。そして、モータ作動加速判定部６４は、エンジン１０の運転状態が基本エンジンマップ上に設定された加速判定閾値を超えた場合に、エンジン１０が加速要求状態にあると判定するとともに、電動モータ４３に作動指令信号を出力する。この基本エンジンマップ上に設定された加速判定閾値は、エンジン１０の過渡性能試験において、エンジン１０の排気ガス性能や燃費性能で最もトルクが不足する領域を基準に設定される。すなわち、最もトルクが不足する領域を電動モータ４３の基本作動領域に設定することにより、電動モータ４３でエンジン１０のアシストを効率的に行うことが可能となり、エンジン１０の燃費性能が向上される。また、最もトルクが不足する領域を電動モータ４３の基本作動領域に設定することにより、電動モータ４３にこの基本作動領域を超えるような性能を持たせる必要がなくなり、電動モータ４３のサイズ最適化も図ることができる。
【００３８】
バッテリ充電状態判定部６５は、バッテリ４１の充電状態を判定するとともに、この判定に応じて電動モータ４３の作動を制御する。具体的には、バッテリ充電状態判定部６５には、バッテリセンサ３８の検出値が出力されており、この出力値がバッテリ判定閾値より小さい場合はバッテリ４１の充電量を少ないと判定する。そして、バッテリ充電状態判定部６５は、バッテリ４１の充電量は少ないと判定すると、エンジン１０の運転状態が電動モータ４３の基本作動領域にある場合であっても、電動モータ４３に作動指令信号を出力しないように構成されている。
【００３９】
本発明の一実施形態に係る排気エネルギー回収装置１は、以上のように構成されているので、例えば図３，４に示すフローチャートに従って以下のような制御が行われる。
【００４０】
まず、図３に示す、タービンジェネレータ作動フローから説明する。本制御は、エンジン１０の始動（キー操作ＯＮ）と同時にスタートする。
【００４１】
ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、ＥＣＵ６０にエンジン回転センサ３５の検出値が出力され、Ｓ１１０では、ＥＣＵ６０にアクセル開度センサの検出値が出力される。そして、Ｓ１２０では、Ｓ１００とＳ１１０で出力されたエンジン回転数とアクセル開度とに基づいて燃料噴射量が算出される。
【００４２】
Ｓ１３０では、タービンジェネレータ作動制御部６２によって、エンジン回転数と燃料噴射量とが、タービンジェネレータ基本作動マップ上のタービンジェネレータ基本作動領域にあるか否かが確認される。エンジン回転数と燃料噴射量とが、タービンジェネレータ基本作動領域にある場合はＳ１４０へと進む。一方、エンジン回転数と燃料噴射量とが、タービンジェネレータ基本作動領域にない場合は前述のＳ１００へと戻る。
【００４３】
Ｓ１４０では、タービンジェネレータ作動制御部６２によって、ＥＧＲ制御部６１のフィードバック過渡制御が行われているか否かが確認される。フィードバック過渡制御が行われていない場合はＳ１５０に進む。一方、フィードバック過渡制御が行われている場合は前述のＳ１００へと戻る。
【００４４】
Ｓ１５０では、タービンジェネレータ作動制御部６２によって、タービンジェネレータ回転センサの検出値がリミット回転数に達しているか否かが確認される。タービンジェネレータ回転センサの検出値がリミット回転数よりも小さい場合は、Ｓ１６０でタービンジェネレータ３０に作動指令信号が出力されて本制御はリターンされる。一方、タービンジェネレータ回転センサの検出値がリミット回転数以上の場合は、前述のＳ１００へと戻る。その後、本制御はエンジン１０が停止（キー操作ＯＦＦ）されるまで繰り返し行われる。
【００４５】
次に、図４に示す、モータ作動フローを説明する。本制御は、エンジン１０の始動（キー操作ＯＮ）と同時にスタートする。
【００４６】
Ｓ２００では、ＥＣＵ６０にエンジン回転センサ３５の検出値が出力され、Ｓ２１０では、ＥＣＵ６０にアクセル開度センサの検出値が出力される。そして、Ｓ２２０では、Ｓ２００とＳ２１０で出力されたエンジン回転数とアクセル開度とに基づいて燃料噴射量が算出される。
【００４７】
Ｓ２３０では、モータ作動制御部６３によって、エンジン回転数と燃料噴射量とがモータ作動基本マップ上のモータ作動領域にあるか否かが確認される。エンジン回転数と燃料噴射量とがモータ作動領域にある場合はＳ２４０へと進む。一方、エンジン回転数と燃料噴射量とがモータ作動領域にない場合は前述のＳ２００へと戻る。
【００４８】
Ｓ２４０では、モータ作動加速判定部６４によって、エンジン回転数と燃料噴射量とが基本エンジンマップ上に設定された加速判定閾値を超えたか否かが確認される。エンジン回転数と燃料噴射量とが加速判定閾値を超えた場合は、エンジン１０の運転状態を加速要求状態にあると判定しＳ２５０へ進む。一方、エンジン回転数と燃料噴射量とが加速判定閾値を超えていない場合は、エンジン１０の運転状態を加速要求状態にないと判定し、前述のＳ２００へと戻る。
【００４９】
Ｓ２５０では、バッテリ充電状態判定部６５によって、バッテリ４１の充電状態が判定される。バッテリセンサ３８の検出値がバッテリ判定閾値以上の場合はバッテリ４１の充電量は十分にあると判定する。そして、Ｓ２６０でモータ作動制御部６３から電動モータ４３に作動指令信号が出力されて本制御はリターンされる。一方、バッテリセンサ３８の検出値がバッテリ判定閾値より小さい場合は、バッテリ４１の充電量を少ないと判定して前述のＳ２００へと戻る。その後、本制御はエンジン１０が停止（キー操作ＯＦＦ）されるまで繰り返し行われる。
【００５０】
上述のような構成により、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気エネルギー回収装置１によれば以下のような作用・効果を奏する。
【００５１】
本実施形態において、エンジン１０の排気からエネルギーを回収するタービンジェネレータ３０は、排気通路１６（排気ライン上）ではなく高圧ＥＧＲ通路２５に設けられている。
【００５２】
したがって、例えばタービンジェネレータ３０を排気ライン上に設けた排気エネルギー回収システムで生ずる排気圧力増加やポンピング損失増加、係る排気圧力増加やポンピング損失増加による燃費性能や排気ガス性能の悪化を効果的に抑制しつつ、環流排気から排気エネルギーを効率的に回収することができる。
【００５３】
また、エンジン１０の排気からエネルギーを回収する排気エネルギー回収装置１は、高圧ＥＧＲ通路２５に設けられたタービンジェネレータ３０によって構成され、ターボ過給機２０には、発電装置等が組み込まれていない。
【００５４】
したがって、例えばターボ過給機２０のターボシャフト本体に発電装置を組み込んだ排気エネルギー回収システムで生ずるターボ効率やターボ応答性の悪化、係る悪化による排気ガス性能や燃費性能の悪化を効果的に抑制しつつ、環流排気から排気エネルギーを効率的に回収することができる。
【００５５】
また、タービンジェネレータ３０は、ＥＧＲクーラ２６よりも排気マニホールド１５側（高圧ＥＧＲガス流れの上流側）に位置する高圧ＥＧＲ通路２５に設けられている。すなわち、高圧ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ２６に達する前に、ＥＧＲクーラ２６よりも高圧ＥＧＲガス流れの上流側に位置して設けられたタービンジェネレータ３０を通過することになる。
【００５６】
したがって、例えば、タービンジェネレータ３０に達する直前の高圧ＥＧＲガス温度が７００℃の場合、タービンジェネレータ３０を通過した後の高圧ＥＧＲガス温度は、タービンジェネレータ３０によって５５０℃程度まで低下されるので、高圧ＥＧＲガスを吸気マニホールド１１に戻す前に冷却するＥＧＲクーラ２６の仕事量を低減することができ、エンジン１０の冷却損失を低減させてエンジン１０の燃費性能も向上することができる。
【００５７】
また、タービンジェネレータ３０によって発電された電力は、コンバータ４０を介してバッテリ４１に蓄電され、さらにインバータ４２を介して電動モータ４３へと供給される。そして、電動モータ４３に供給された電力は、電動モータ４３を駆動させるとともに、係る電動モータ４３の駆動力はパワートレイン４４を介してエンジン１０の出力シャフト１０ａにアシスト力として伝達される。
【００５８】
したがって、高圧ＥＧＲガスから回収したエネルギーを効率的にエンジン１０へとエネルギー回生しつつ、エンジン１０の燃費性能を効果的に向上することができる。
【００５９】
また、タービンジェネレータ３０の作動は、タービンジェネレータ作動制御部６２によって、エンジン１０の過渡運転中にタービンジェネレータ回転センサの検出値がリミット回転数に達した場合は停止される。
【００６０】
したがって、エンジン１０の過渡運転中にタービンジェネレータ３０の負荷（フリクション）が増加して高圧ＥＧＲガスの応答性やエンジン１０の排気ガス性能が悪化することを効果的に抑制することができる。
【００６１】
また、モータ作動加速判定部６４は、エンジン１０の運転状態が基本エンジンマップ上に設定された加速判定閾値を超えた場合に、エンジン１０が排気ガス性能や燃費性能で最もトルクが不足する加速要求状態にあると判定するとともに、電動モータ４３に作動指令信号を出力する。そして、作動指令信号に基づいて作動する電動モータ４３の駆動力は、パワートレイン４４を介してエンジン１０の加速アシスト力として伝達される。
【００６２】
したがって、エンジン１０の排気ガス性能や燃費性能で最もトルクが不足する加速要求状態において、電動モータ４３の駆動力をエンジン１０のアシスト力として効率的に伝達することが可能となり、エンジン１０の排気ガス性能や燃費性能を向上することができる。
【００６３】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
【００６４】
上述の実施形態において、エネルギー回収手段として、発電機能を備えたタービンジェネレータ３０を用いて説明したが、例えば、タービン翼３１に取り付けられたタービンシャフト３２をクラッチやギヤを介してエンジン１０の出力シャフト１０ａに接続するように構成することもできる。
【００６５】
また、エンジン１０は６気筒に限られず、単気筒やそれ以上の気筒を備えた複数気筒のエンジンにも広く適用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１０ ディーゼルエンジン（内燃機関）
１１ 吸気マニホールド（吸気系）
１２ 吸気通路（吸気系）
１５ 排気マニホールド（排気系）
１６ 排気通路（排気系）
２５ 高圧ＥＧＲ通路
２６ ＥＧＲクーラ
３０ タービンジェネレータ（エネルギー回収手段）
３１ タービン翼
４３ 電動モータ
４４ パワートレイン（動力伝達手段）
６０ ＥＣＵ
６２ タービンジェネレータ制御部（発電装置作動制御手段）
６３ モータ作動制御部（電動モータ作動制御手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ＥＧＲ通路を有する内燃機関の排気エネルギー回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関を使用する自動車エンジンや産業エンジン等への排気ガス規制は厳しくなる傾向にある。また、排気ガス規制と同様に、世界的な地球温暖化対応として、燃費規制も厳しくなる傾向にある。これらの規制に対応すべく、近年のエンジン技術開発としては、例えば、ハイブリッド化やエネルギー回生が急速に進んでいる。特に、内燃機関のエンジン本体においては、排気エネルギーを回収するターボコンパウンドエンジンのシステム開発が行われている。
【０００３】
一般的に、内燃機関においては、ガソリンエンジンに対してディーゼルエンジンの方が熱効率は高く燃費も優れている。しかし、ディーゼルエンジンであっても、熱効率は４０〜５０％程度にとどまり、１００％の燃料に対して５５〜６０％の燃料が損失されていることになる。係る損失のなかで排気損失が特に大きく、エンジンの熱効率を向上させるためには、排気エネルギーを効率よく回収することが有効と考えられている。
【０００４】
このように、排気エネルギーを効率よく回収するシステムとして、例えば、エンジンの排気ガスライン上に取り付けたターボ過給機のターボシャフト本体に発電装置を組み込み、この発電装置で発電した電力でモータを駆動させるとともに、モータの駆動力をエンジンのアシスト力として、エンジン出力軸に連結されたギヤ又はベルトを介して伝達する排気エネルギー回収システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、エンジン排気ライン上にターボ過給機を設け、このターボ過給機よりも下流側のエンジン排気ラインにターボジェネレータを取り付けた排気エネルギー回収システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−３３６６８号公報
【特許文献２】特開２００７−８５２２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前述のターボ過給機のターボシャフト本体に発電装置を組み込んだシステムにおいては、ターボシャフト本体の重量が発電装置を有さない通常のターボ過給機のターボシャフト本体よりも増加する。したがって、発電を行っていない状態であっても、係る発電装置の重量によってターボの応答性が悪化し、エンジンの排気ガス性能や燃費性能も悪化する可能性がある。
【０００８】
また、前述のターボ過給機よりも下流の排気通路にターボジェネレータを設けたシステムでは、ターボの応答性悪化は解消するものの、ターボジェネレータよりも前段で上流側に設けられたターボ過給機によって排気エネルギーが回収されてしまうため、排気エネルギーの回収効率が低下する。さらに、エンジンの排気ガスライン上にフリクションの大きいターボジェネレータを設けているので、エンジン本体の排気圧力損失（エンジンのポンピング）が増加され、エンジンの排気ガス性能や燃費性能が悪化する可能性がある。
【０００９】
本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、その目的は、高圧ＥＧＲ通路を有する内燃機関の排気エネルギー回収装置に関し、内燃機関の排気ガス性能や燃費性能の悪化を効果的に抑制しつつ、排気エネルギーの回収を効率的に行うことができる内燃機関の排気エネルギー回収装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の内燃機関の排気エネルギー回収装置は、ターボ過給機よりも上流側に位置する排気系と前記ターボ過給機よりも下流側に位置する吸気系とを連通する高圧ＥＧＲ通路を有する内燃機関の排気エネルギー回収装置であって、前記高圧ＥＧＲ通路には、前記高圧ＥＧＲ通路を流れる環流排気からエネルギーを回収するエネルギー回収手段が設けられることを特徴とする。
【００１１】
また、前記高圧ＥＧＲ通路に前記環流排気を冷却するＥＧＲクーラを有するとともに、前記エネルギー回収手段は、前記ＥＧＲクーラよりも環流排気流れの上流側に位置する前記高圧ＥＧＲ通路に設けられるようにしてもよい。
【００１２】
また、前記エネルギー回収手段は、前記高圧ＥＧＲ通路に設けられるタービン翼と、前記タービン翼に接続されるともに、前記タービン翼の回転により発電する発電装置とを備えるようにしてもよい。
【００１３】
また、前記発電装置で発電される電力で駆動する電動モータと、前記電動モータの出力軸と前記内燃機関の出力軸とを接続するとともに、前記電動モータの駆動力を前記内燃機関の出力軸に伝達する動力伝達手段とをさらに有するようにしてもよい。
【００１４】
また、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段によって検出される運転状態に応じて、前記発電装置の作動を制御する発電装置作動制御手段と、前記運転状態検出手段によって検出される運転状態に応じて、前記電動モータの作動を制御する電動モータ作動制御手段とをさらに有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の高圧ＥＧＲ通路を有する内燃機関の排気エネルギー回収装置によれば、内燃機関の排気ガス性能や燃費性能の悪化を効果的に抑制しつつ、排気エネルギーの回収を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気エネルギー回収装置を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気エネルギー回収装置の制御部（ＥＣＵ）を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気エネルギー回収装置によるタービンジェネレータ作動制御を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気エネルギー回収装置によるモータ作動制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面により、本発明に係る一実施形態について説明する。
【００１８】
図１〜４は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気エネルギー回収装置１を説明するものである。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態に係る内燃機関は、６気筒のディーゼルエンジン（以下、エンジンという）１０である。エンジン１０の各気筒の吸気口には、吸気マニホールド１１を介して吸気通路１２が接続されている。また、吸気通路１２には、上流側から順に、エアクリーナ１３と、マスエアフローセンサ１４と、ターボ過給機２０を構成するコンプレッサ２１と、吸気を冷却するインタクーラ２３とが設けられている。また、エンジン１０の各気筒の排出口には、排気マニホールド１５を介して排気通路１６が接続され、この排気通路１６にはターボ過給機２０を構成するタービン２２が設けられている。
【００２０】
ターボ過給機２０は、いわゆる可変型ターボ過給機（バリアブル・ジオメトリー・ターボチャージャ）であって、可変翼（不図示）の角度調節により、タービン２２への排気流通面積を調整し、タービン効率を制御するように構成されている。
【００２１】
さらに、排気マニホールド１５には、エンジン１０から排出された排気の一部を高圧で吸気マニホールド１１に再循環させる高圧ＥＧＲ装置２４が備えられている。この高圧ＥＧＲ装置２４には、タービンジェネレータ（エネルギー回収手段）３０と、高圧ＥＧＲ通路２５と、ＥＧＲクーラ２６と、ＥＧＲ弁２７とを備えている。本実施形態において、高圧ＥＧＲ通路２５は、排気マニホールド１５と吸気マニホールド１１とを連通するものとして説明するが、例えば、ターボ過給機２０よりも上流の排気通路１６とインタクーラ２３よりも下流の吸気通路１２とを連通するように構成してもよい。
【００２２】
タービンジェネレータ３０は、図１に示すように、ＥＧＲクーラ２６よりも排気マニホールド１５側の高圧ＥＧＲ通路２５に設けられたタービン翼３１と、タービン翼３１に接続されたタービンシャフト３２と、タービンシャフト３２に冷間焼き嵌めによって嵌合接合された永久磁石３３と、超高速回転による永久磁石３３の破壊を防ぐべく、外周を覆うように形成された繊維状のセラミックス材からなる円筒状のケース本体３４とを備え構成されている。また、外周部であるケース本体３４には、大量のコイル（不図示）が巻き付けられており、高圧ＥＧＲ通路２５を通って再循環される環流排気（以下、高圧ＥＧＲガスという）によってタービン翼３１が回転され、タービンシャフト３２が回転することによって、高出力の発電を可能に構成されている。
【００２３】
また、図１に示すように、本実施形態に係る内燃機関の排気エネルギー回収装置１は、コンバータ４０と、バッテリ４１と、インバータ４２と、電動モータ４３と、パワートレイン（動力伝達手段）４４とを備え構成されている。
【００２４】
コンバータ４０は、タービンジェネレータ３０から供給される交流電力を整流するとともに、所定電圧に変換した直流電力をバッテリ４１へと供給する。また、バッテリ４１は、コンバータ４０から供給された直流電力を蓄電するとともに、この蓄電された直流電力をインバータ４２へと供給する。また、インバータ４２は、バッテリ４１から供給される直流電力を所定周波数の交流電力に変換するとともに、この交流電力を電動モータ４３へと供給するように構成されている。
【００２５】
電動モータ４３は高出力仕様のモータであって、タービンジェネレータ３０からコンバータ４０、バッテリ４１、インバータ４２を介して供給される電力で駆動する。また、電動モータ４３の出力軸４３ａは、図１に示すように、図示しないギヤを備えたパワートレイン４４を介してエンジン１０の出力シャフト１０ａに接続されている。すなわち、電動モータ４３は、タービンジェネレータ３０で発電した電力をエンジン１０の出力シャフト１０ａにエネルギー回生（エンジン１０の出力をアシスト）するように構成されている。
【００２６】
なお、本実施形態において、電動モータ４３は高出力仕様のモータであるので、パワートレイン４４にはギヤが用いられているが、例えば、ベルトや流体クラッチを介して電動モータ４３の駆動力をエンジン１０の出力シャフト１０ａに伝達するように構成することもできる。また、コンバータ４０やインバータ４２は別体に設けられるものとして説明したが、例えば、コンバータ４０をタービンジェネレータ３０に内蔵した一体型としてもよく、インバータ４２を電動モータ４３に内蔵した一体型とすることもできる。
【００２７】
以上述べたように構成された排気エネルギー回収装置１には、エンジン１０の各種制御を行うための電子制御ユニットであるＥＣＵ６０が設けられている。このＥＣＵ６０は、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。
【００２８】
また、ＥＣＵ６０には、エンジン１０の各種制御を行うために、エンジン回転センサ３５、マスエアフローセンサ１４、エンジンブーストセンサ３６、アクセル開度センサ（不図示）等が電気配線を介して接続されており、これら各種センサの出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力される。
【００２９】
また、ＥＣＵ６０には、基本エンジンマップ（横軸をエンジン回転数、縦軸を燃料噴射量としたマップ）が予め記憶されており、この基本エンジンマップと各種センサの検出値とに基づいて、エンジン１０を最適な運転状態に制御している。
【００３０】
さらに、ＥＣＵ６０は、図２に示すように、ＥＧＲ制御部６１と、タービンジェネレータ作動制御部（発電装置作動制御手段）６２と、モータ作動制御部（電動モータ作動制御手段）６３と、モータ作動加速判定部６４と、バッテリ充電状態判定部６５とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ６０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
【００３１】
ＥＧＲ制御部６１は、高圧ＥＧＲ装置２４に設けられたＥＧＲ弁２７の開度を調整することでＥＧＲガス量を制御する。このＥＧＲ制御部６１には、エンジン回転数及びエンジン負荷に応じたＥＧＲガス量の目標値を示すＥＧＲガス量マップが予め記憶されている。すなわち、ＥＧＲ制御部６１は、このＥＧＲガス量マップからエンジン回転数及びエンジン負荷に応じた指示値を算出するとともに、算出した指示値を出力してＥＧＲ弁２７の開度を調整することで、ＥＧＲガス量を制御するように構成されている。
【００３２】
また、ＥＧＲ制御部６１は、エンジン１０の過渡運転中における運転状態に応じたフィードバック過渡制御も行うように構成されている。このフィードバック過渡制御は、エンジン１０の過渡運転中にターボ応答遅れ等によって吸気流量が低下する場合があり、係る吸気流量の低下を抑制するために行うものである。具体的には、ＥＧＲ制御部６１は、マスエアフローセンサ１４やエンジンブーストセンサ３６の出力値に応じてエンジン１０の運転状態を判断する。そして、ＥＧＲ制御部６１は、この判断したエンジン１０の運転状態に応じて、吸気流量を増加させるべくターボ過給機２０の開度を絞る制御や、新規空気流量を増加させるべくＥＧＲ弁２７の開度を減少させる制御等のフィードバック過渡制御を行うように構成されている。
【００３３】
タービンジェネレータ作動制御部６２は、タービンジェネレータ３０の作動すなわち、タービンジェネレータ３０による発電を制御する。このタービンジェネレータ作動制御部６２には、横軸をエンジン回転数、縦軸を燃料噴射量としたタービンジェネレータ基本作動マップ（不図示）が予め記憶されている。また、このタービンジェネレータ基本作動マップにはタービンジェネレータ基本作動領域が設定されている。タービンジェネレータ基本作動領域としては、例えば、ＥＧＲガス量が多く且つ安定している状態で、エンジン回転数が中速領域以上でかつ、エンジン負荷も中負荷領域以上の運転領域が設定されている。すなわち、タービンジェネレータ作動制御部６２は、エンジン１０の運転状態がタービンジェネレータ基本作動領域にあるときに、タービンジェネレータ３０に作動指令信号を出力するように構成されている。
【００３４】
また、タービンジェネレータ作動制御部６２は、ＥＧＲ制御部６１によるＥＧＲ弁２７の制御に応じて、タービンジェネレータ３０の作動も調整又は停止させるＥＧＲフィードバック制御を行う。このＥＧＲフィードバック制御は、エンジン１０の運転状態がタービンジェネレータ基本作動マップ上のタービンジェネレータ基本作動領域にある場合であっても、ＥＧＲ弁２７の開度はＥＧＲ制御部６１によるフィードバック過渡制御によって調整又は全閉されることがあり、これに伴いタービンジェネレータ３０の作動も調整又は停止させるものである。
【００３５】
さらに、タービンジェネレータ作動制御部６２は、タービンジェネレータ３０に設けられたタービンジェネレータ回転センサ（不図示）の検出値に応じて、エンジン１０の過渡運転中にタービンジェネレータ３０の作動を調整又は停止させるタービンジェネレータ回転数フィードバック制御も行う。このタービンジェネレータ回転数フィードバック制御は、タービンジェネレータ３０の回転数が低下しすぎると十分な発電量を得られず、また、タービンジェネレータ３０の負荷（フリクション）が増加しすぎると高圧ＥＧＲガスの応答性が悪化し、エンジン１０の排気ガス性能にも悪影響を与えてしまうため、これらの現象を抑制するために行うのである。具体的には、基本エンジンマップ上にエンジン１０の性能に影響を与えないタービンジェネレータリミット回転数（以下、リミット回転数という）を設定し、タービンジェネレータ回転センサの検出値がこのリミット回転数に達しているか否かで、タービンジェネレータ３０の作動を調整又は停止するように構成されている。
【００３６】
モータ作動制御部６３は、バッテリ４１からインバータ４２を介して供給される交流電力で駆動する電動モータ４３の作動を制御する。このモータ作動制御部６３には、モータ作動基本マップ（不図示）が予め記憶されている。モータ作動基本マップは、横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジン出力としたマップ上に、予め実験等で作成した電動モータ４３によるアシスト効率を最大限に引き出すモータ作動領域が設定されている。すなわち、モータ作動制御部６３は、モータ作動基本マップ上でエンジン１０のエンジン回転数とエンジン出力とがモータ作動領域になった場合に、電動モータ４３に作動指令信号を出力するように構成されている。
【００３７】
モータ作動加速判定部６４は、エンジン１０にトルクアシストが必要となるエンジン１０の加速要求状態を判定する。具体的には、モータ作動加速判定部６４には、燃料流量センサ（不図示）の検出値が出力されている。モータ作動加速判定部６４は、この燃料流量センサの出力に応じて、前回燃料噴射時の燃料流量に対する今回燃料噴射時の燃料流量の増加割合を算出してエンジン１０の加速状態を判定する。そして、モータ作動加速判定部６４は、エンジン１０の運転状態が基本エンジンマップ上に設定された加速判定閾値を超えた場合に、エンジン１０が加速要求状態にあると判定するとともに、電動モータ４３に作動指令信号を出力する。この基本エンジンマップ上に設定された加速判定閾値は、エンジン１０の過渡性能試験において、エンジン１０の排気ガス性能や燃費性能で最もトルクが不足する領域を基準に設定される。すなわち、最もトルクが不足する領域を電動モータ４３の基本作動領域に設定することにより、電動モータ４３でエンジン１０のアシストを効率的に行うことが可能となり、エンジン１０の燃費性能が向上される。また、最もトルクが不足する領域を電動モータ４３の基本作動領域に設定することにより、電動モータ４３にこの基本作動領域を超えるような性能を持たせる必要がなくなり、電動モータ４３のサイズ最適化も図ることができる。
【００３８】
バッテリ充電状態判定部６５は、バッテリ４１の充電状態を判定するとともに、この判定に応じて電動モータ４３の作動を制御する。具体的には、バッテリ充電状態判定部６５には、バッテリセンサ３８の検出値が出力されており、この出力値がバッテリ判定閾値より小さい場合はバッテリ４１の充電量を少ないと判定する。そして、バッテリ充電状態判定部６５は、バッテリ４１の充電量は少ないと判定すると、エンジン１０の運転状態が電動モータ４３の基本作動領域にある場合であっても、電動モータ４３に作動指令信号を出力しないように構成されている。
【００３９】
本発明の一実施形態に係る排気エネルギー回収装置１は、以上のように構成されているので、例えば図３，４に示すフローチャートに従って以下のような制御が行われる。
【００４０】
まず、図３に示す、タービンジェネレータ作動フローから説明する。本制御は、エンジン１０の始動（キー操作ＯＮ）と同時にスタートする。
【００４１】
ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、ＥＣＵ６０にエンジン回転センサ３５の検出値が出力され、Ｓ１１０では、ＥＣＵ６０にアクセル開度センサの検出値が出力される。そして、Ｓ１２０では、Ｓ１００とＳ１１０で出力されたエンジン回転数とアクセル開度とに基づいて燃料噴射量が算出される。
【００４２】
Ｓ１３０では、タービンジェネレータ作動制御部６２によって、エンジン回転数と燃料噴射量とが、タービンジェネレータ基本作動マップ上のタービンジェネレータ基本作動領域にあるか否かが確認される。エンジン回転数と燃料噴射量とが、タービンジェネレータ基本作動領域にある場合はＳ１４０へと進む。一方、エンジン回転数と燃料噴射量とが、タービンジェネレータ基本作動領域にない場合は前述のＳ１００へと戻る。
【００４３】
Ｓ１４０では、タービンジェネレータ作動制御部６２によって、ＥＧＲ制御部６１のフィードバック過渡制御が行われているか否かが確認される。フィードバック過渡制御が行われていない場合はＳ１５０に進む。一方、フィードバック過渡制御が行われている場合は前述のＳ１００へと戻る。
【００４４】
Ｓ１５０では、タービンジェネレータ作動制御部６２によって、タービンジェネレータ回転センサの検出値がリミット回転数に達しているか否かが確認される。タービンジェネレータ回転センサの検出値がリミット回転数よりも小さい場合は、Ｓ１６０でタービンジェネレータ３０に作動指令信号が出力されて本制御はリターンされる。一方、タービンジェネレータ回転センサの検出値がリミット回転数以上の場合は、前述のＳ１００へと戻る。その後、本制御はエンジン１０が停止（キー操作ＯＦＦ）されるまで繰り返し行われる。
【００４５】
次に、図４に示す、モータ作動フローを説明する。本制御は、エンジン１０の始動（キー操作ＯＮ）と同時にスタートする。
【００４６】
Ｓ２００では、ＥＣＵ６０にエンジン回転センサ３５の検出値が出力され、Ｓ２１０では、ＥＣＵ６０にアクセル開度センサの検出値が出力される。そして、Ｓ２２０では、Ｓ２００とＳ２１０で出力されたエンジン回転数とアクセル開度とに基づいて燃料噴射量が算出される。
【００４７】
Ｓ２３０では、モータ作動制御部６３によって、エンジン回転数と燃料噴射量とがモータ作動基本マップ上のモータ作動領域にあるか否かが確認される。エンジン回転数と燃料噴射量とがモータ作動領域にある場合はＳ２４０へと進む。一方、エンジン回転数と燃料噴射量とがモータ作動領域にない場合は前述のＳ２００へと戻る。
【００４８】
Ｓ２４０では、モータ作動加速判定部６４によって、エンジン回転数と燃料噴射量とが基本エンジンマップ上に設定された加速判定閾値を超えたか否かが確認される。エンジン回転数と燃料噴射量とが加速判定閾値を超えた場合は、エンジン１０の運転状態を加速要求状態にあると判定しＳ２５０へ進む。一方、エンジン回転数と燃料噴射量とが加速判定閾値を超えていない場合は、エンジン１０の運転状態を加速要求状態にないと判定し、前述のＳ２００へと戻る。
【００４９】
Ｓ２５０では、バッテリ充電状態判定部６５によって、バッテリ４１の充電状態が判定される。バッテリセンサ３８の検出値がバッテリ判定閾値以上の場合はバッテリ４１の充電量は十分にあると判定する。そして、Ｓ２６０でモータ作動制御部６３から電動モータ４３に作動指令信号が出力されて本制御はリターンされる。一方、バッテリセンサ３８の検出値がバッテリ判定閾値より小さい場合は、バッテリ４１の充電量を少ないと判定して前述のＳ２００へと戻る。その後、本制御はエンジン１０が停止（キー操作ＯＦＦ）されるまで繰り返し行われる。
【００５０】
上述のような構成により、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気エネルギー回収装置１によれば以下のような作用・効果を奏する。
【００５１】
本実施形態において、エンジン１０の排気からエネルギーを回収するタービンジェネレータ３０は、排気通路１６（排気ライン上）ではなく高圧ＥＧＲ通路２５に設けられている。
【００５２】
したがって、例えばタービンジェネレータ３０を排気ライン上に設けた排気エネルギー回収システムで生ずる排気圧力増加やポンピング損失増加、係る排気圧力増加やポンピング損失増加による燃費性能や排気ガス性能の悪化を効果的に抑制しつつ、環流排気から排気エネルギーを効率的に回収することができる。
【００５３】
また、エンジン１０の排気からエネルギーを回収する排気エネルギー回収装置１は、高圧ＥＧＲ通路２５に設けられたタービンジェネレータ３０によって構成され、ターボ過給機２０には、発電装置等が組み込まれていない。
【００５４】
したがって、例えばターボ過給機２０のターボシャフト本体に発電装置を組み込んだ排気エネルギー回収システムで生ずるターボ効率やターボ応答性の悪化、係る悪化による排気ガス性能や燃費性能の悪化を効果的に抑制しつつ、環流排気から排気エネルギーを効率的に回収することができる。
【００５５】
また、タービンジェネレータ３０は、ＥＧＲクーラ２６よりも排気マニホールド１５側（高圧ＥＧＲガス流れの上流側）に位置する高圧ＥＧＲ通路２５に設けられている。すなわち、高圧ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ２６に達する前に、ＥＧＲクーラ２６よりも高圧ＥＧＲガス流れの上流側に位置して設けられたタービンジェネレータ３０を通過することになる。
【００５６】
したがって、例えば、タービンジェネレータ３０に達する直前の高圧ＥＧＲガス温度が７００℃の場合、タービンジェネレータ３０を通過した後の高圧ＥＧＲガス温度は、タービンジェネレータ３０によって５５０℃程度まで低下されるので、高圧ＥＧＲガスを吸気マニホールド１１に戻す前に冷却するＥＧＲクーラ２６の仕事量を低減することができ、エンジン１０の冷却損失を低減させてエンジン１０の燃費性能も向上することができる。
【００５７】
また、タービンジェネレータ３０によって発電された電力は、コンバータ４０を介してバッテリ４１に蓄電され、さらにインバータ４２を介して電動モータ４３へと供給される。そして、電動モータ４３に供給された電力は、電動モータ４３を駆動させるとともに、係る電動モータ４３の駆動力はパワートレイン４４を介してエンジン１０の出力シャフト１０ａにアシスト力として伝達される。
【００５８】
したがって、高圧ＥＧＲガスから回収したエネルギーを効率的にエンジン１０へとエネルギー回生しつつ、エンジン１０の燃費性能を効果的に向上することができる。
【００５９】
また、タービンジェネレータ３０の作動は、タービンジェネレータ作動制御部６２によって、エンジン１０の過渡運転中にタービンジェネレータ回転センサの検出値がリミット回転数に達した場合は停止される。
【００６０】
したがって、エンジン１０の過渡運転中にタービンジェネレータ３０の負荷（フリクション）が増加して高圧ＥＧＲガスの応答性やエンジン１０の排気ガス性能が悪化することを効果的に抑制することができる。
【００６１】
また、モータ作動加速判定部６４は、エンジン１０の運転状態が基本エンジンマップ上に設定された加速判定閾値を超えた場合に、エンジン１０が排気ガス性能や燃費性能で最もトルクが不足する加速要求状態にあると判定するとともに、電動モータ４３に作動指令信号を出力する。そして、作動指令信号に基づいて作動する電動モータ４３の駆動力は、パワートレイン４４を介してエンジン１０の加速アシスト力として伝達される。
【００６２】
したがって、エンジン１０の排気ガス性能や燃費性能で最もトルクが不足する加速要求状態において、電動モータ４３の駆動力をエンジン１０のアシスト力として効率的に伝達することが可能となり、エンジン１０の排気ガス性能や燃費性能を向上することができる。
【００６３】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
【００６４】
上述の実施形態において、エネルギー回収手段として、発電機能を備えたタービンジェネレータ３０を用いて説明したが、例えば、タービン翼３１に取り付けられたタービンシャフト３２をクラッチやギヤを介してエンジン１０の出力シャフト１０ａに接続するように構成することもできる。
【００６５】
また、エンジン１０は６気筒に限られず、単気筒やそれ以上の気筒を備えた複数気筒のエンジンにも広く適用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１０ ディーゼルエンジン（内燃機関）
１１ 吸気マニホールド（吸気系）
１２ 吸気通路（吸気系）
１５ 排気マニホールド（排気系）
１６ 排気通路（排気系）
２５ 高圧ＥＧＲ通路
２６ ＥＧＲクーラ
３０ タービンジェネレータ（エネルギー回収手段）
３１ タービン翼
４３ 電動モータ
４４ パワートレイン（動力伝達手段）
６０ ＥＣＵ
６２ タービンジェネレータ制御部（発電装置作動制御手段）
６３ モータ作動制御部（電動モータ作動制御手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ過給機よりも上流側に位置する排気系と前記ターボ過給機よりも下流側に位置する吸気系とを連通する高圧ＥＧＲ通路を有する内燃機関の排気エネルギー回収装置であって、
前記高圧ＥＧＲ通路には、前記高圧ＥＧＲ通路を流れる環流排気からエネルギーを回収するエネルギー回収手段が設けられる
ことを特徴とする内燃機関の排気エネルギー回収装置。
【請求項２】
前記高圧ＥＧＲ通路に前記環流排気を冷却するＥＧＲクーラを有するとともに、
前記エネルギー回収手段は、前記ＥＧＲクーラよりも環流排気流れの上流側に位置する前記高圧ＥＧＲ通路に設けられる
ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気エネルギー回収装置。
【請求項３】
前記エネルギー回収手段は、
前記高圧ＥＧＲ通路に設けられるタービン翼と、
前記タービン翼に接続されるともに、前記タービン翼の回転により発電する発電装置と、を備える
ことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気エネルギー回収装置。
【請求項４】
前記発電装置で発電される電力で駆動する電動モータと、
前記電動モータの出力軸と前記内燃機関の出力軸とを接続するとともに、前記電動モータの駆動力を前記内燃機関の出力軸に伝達する動力伝達手段と、をさらに有する
ことを特徴とする請求項３記載の内燃機関の排気エネルギー回収装置。
【請求項５】
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段によって検出される運転状態に応じて、前記発電装置の作動を制御する発電装置作動制御手段と、
前記運転状態検出手段によって検出される運転状態に応じて、前記電動モータの作動を制御する電動モータ作動制御手段と、をさらに有する
ことを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排気エネルギー回収装置。
【請求項１】
ターボ過給機よりも上流側に位置する排気系と前記ターボ過給機よりも下流側に位置する吸気系とを連通する高圧ＥＧＲ通路を有する内燃機関の排気エネルギー回収装置であって、
前記高圧ＥＧＲ通路には、前記高圧ＥＧＲ通路を流れる環流排気からエネルギーを回収するエネルギー回収手段が設けられる
ことを特徴とする内燃機関の排気エネルギー回収装置。
【請求項２】
前記高圧ＥＧＲ通路に前記環流排気を冷却するＥＧＲクーラを有するとともに、
前記エネルギー回収手段は、前記ＥＧＲクーラよりも環流排気流れの上流側に位置する前記高圧ＥＧＲ通路に設けられる
ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気エネルギー回収装置。
【請求項３】
前記エネルギー回収手段は、
前記高圧ＥＧＲ通路に設けられるタービン翼と、
前記タービン翼に接続されるともに、前記タービン翼の回転により発電する発電装置と、を備える
ことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気エネルギー回収装置。
【請求項４】
前記発電装置で発電される電力で駆動する電動モータと、
前記電動モータの出力軸と前記内燃機関の出力軸とを接続するとともに、前記電動モータの駆動力を前記内燃機関の出力軸に伝達する動力伝達手段と、をさらに有する
ことを特徴とする請求項３記載の内燃機関の排気エネルギー回収装置。
【請求項５】
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段によって検出される運転状態に応じて、前記発電装置の作動を制御する発電装置作動制御手段と、
前記運転状態検出手段によって検出される運転状態に応じて、前記電動モータの作動を制御する電動モータ作動制御手段と、をさらに有する
ことを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排気エネルギー回収装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２１５１１（Ｐ２０１２−２１５１１Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６１９３６（Ｐ２０１０−１６１９３６）
【出願日】平成２２年７月１６日（２０１０．７．１６）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１６日（２０１０．７．１６）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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