(57)【要約】【課題】本発明は、排気圧の調整を実現しつつ、排気ガスから適切にエネルギー回収を行うことができる内燃機関を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、ディーゼルエンジン１の排気通路５に設けられたタービン９ａを有し、排気ガスからエネルギーを回収するターボ発電機９と、ターボ発電機９を制御するＥＣＵ２と、を備え、ＥＣＵ２は、タービン９ａの回転負荷を変更することにより排気通路５内の排気圧を調整する。このディーゼルエンジン１によれば、排気圧の調整を実現しつつ、排気ガスから適切にエネルギー回収を行うことができる。【選択図】図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられたタービンを有し、排気ガスからエネルギーを回収するエネルギー回収手段と、
前記エネルギー回収手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記タービンの回転負荷を変更することにより前記排気通路内の排気圧を調整することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記内燃機関の吸気通路の空気を過給する固定翼式のターボチャージャーと、
前記排気通路の排気ガスの一部を前記吸気通路に導入するＥＧＲと、を更に備え、
前記制御手段は、前記排気通路の排気圧が前記吸気通路の吸気圧より高くなるように前記タービンの回転負荷を変更することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記制御手段は、排気ブレーキを掛ける場合、前記タービンの回転負荷を増大させることにより前記排気通路内の排気圧を高めて排気ブレーキを掛けることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記エネルギー回収手段は、前記タービンの回転により発電するターボ発電機であることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか一項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記エネルギー回収手段は、前記タービンの回転を前記内燃機関のクランクシャフトに伝達する電動アシストターボであることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか一項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両の低燃費を実現するために、ターボチャージャーの駆動を電動機によってアシストする電動アシストターボチャージャーを備えた内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照）。この内燃機関では、車両の急加速時など排気圧の上昇が間に合わない場合に電動機によってタービンを回転させることで適切な吸気効率を確保している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２６５８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、タービンブレードの開口面積が一定である固定翼式のターボチャージャーを備える内燃機関においては、車両の走行状態などによって排気圧が吸気圧よりも低下する場合がある。この場合には、ＥＧＲを効かせることができないため、排気絞り弁によって排気圧を吸気圧より高める制御が行われている。しかしながら、高めた排気圧については十分なエネルギー回収が行われておらず、排気圧損により燃費が悪化するという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、排気圧の調整を実現しつつ、排気ガスから適切にエネルギー回収を行うことができる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、内燃機関の排気通路に設けられたタービンを有し、排気ガスからエネルギーを回収するエネルギー回収手段と、エネルギー回収手段を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、タービンの回転負荷を変更することにより排気通路内の排気圧を調整することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る内燃機関によれば、排気ガスからエネルギーを回収するエネルギー回収手段を備え、エネルギー回収手段のタービンの回転負荷を変更することにより排気ガスを排出しにくく又は排出しやすくすることで排気通路内の排気圧を調整することができる。しかも、この内燃機関によれば、高まった排気圧が必ずタービンを通過するので、そのエネルギーを回収することができる。従って、この内燃機関によれば、排気圧の調整を実現しつつ、排気ガスから適切にエネルギー回収を行うことができる。これにより、内燃機関の燃費向上を図ることができる。
【０００８】
また、本発明に係る内燃機関においては、吸気通路の空気を過給する固定翼式のターボチャージャーと、排気通路の排気ガスの一部を吸気通路に導入するＥＧＲと、を更に備え、制御手段は、排気通路の排気圧が吸気通路の吸気圧より高くなるようにタービンの回転負荷を変更してもよい。
この内燃機関によれば、排気圧が吸気圧より高くなるようにタービンの回転負荷を変更することで内燃機関の運転状態により排気圧が低下した場合であってもＥＧＲを効かせることができる。また、この内燃機関によれば、ＥＧＲを効かせるために高めた排気圧のエネルギーをタービンで回収することができるので、排気圧損による燃費悪化を抑制することができる。
【０００９】
また、本発明に係る内燃機関においては、制御手段は、排気ブレーキを掛ける場合、タービンの回転負荷を増大させることにより排気通路内の排気圧を高めて排気ブレーキを掛けてもよい。
この内燃機関によれば、タービンの回転負荷を増大（タービンの固定も含む）させることにより、排気圧を高めてポンピングロスを大きくさせ、排気ブレーキを掛けることができる。しかも、この内燃機関によれば、排気ブレーキにおいて高まった排気圧のエネルギーをタービンの回転として回収することができ、燃費向上に有利である。
【００１０】
また、本発明に係る内燃機関において、エネルギー回収手段は、タービンの回転により発電するターボ発電機であってもよい。
この内燃機関によれば、排気ガスのエネルギーを汎用性の高い電力（電気エネルギー）として回収することができる。
【００１１】
或いは、本発明に係る内燃機関において、エネルギー回収手段は、タービンの回転を内燃機関のクランクシャフトに伝達する電動アシストターボであってもよい。
この内燃機関によれば、排気ガスのエネルギーを回転エネルギーとして内燃機関のクランクシャフトに伝達するので、更なる燃費向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る内燃機関によれば、排気圧の調整を実現しつつ、排気ガスから適切にエネルギー回収を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係るディーゼルエンジンを示す概略図である。
【図２】第２の実施形態に係るディーゼルエンジンを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る内燃機関の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
［第１の実施形態］
図１に示す第１の実施形態のディーゼルエンジン１は、トラックやバスその他の車両に備えられる車載用の内燃機関である。このディーゼルエンジン１は、ＥＣＵ［Engine Control Unit］２によって統括的に制御されている。ＥＣＵ２は、ＣＰＵ[Central  Processing  Unit]、ＲＯＭ[Read  Only  Memory]、ＲＡＭ[Random  Access  Memory]などからなる電子制御ユニット（制御手段）である。
【００１６】
また、ディーゼルエンジン１は、複数の気筒を備えるエンジン本体３と、エンジン本体３に空気を供給するための吸気通路４と、エンジン本体３から排気ガスを排出するための排気通路５と、吸気通路４において過給を行うためのターボチャージャー６と、を備えている。
【００１７】
吸気通路４には、空気中の粉塵を捕えて清浄な空気とするためのエアクリーナ７と、過給により温度上昇した空気を冷却するためのインタークーラ８が設けられている。また、吸気通路４において、エアクリーナ７及びインタークーラ８の間にはターボチャージャー６のコンプレッサ６ａが設けられている。
【００１８】
一方、ターボチャージャー６のタービン６ｂは、排気通路５に設けられている。ターボチャージャー６では、エンジン本体３から排出される排気ガスの圧力によってタービン６ｂが回転されることにより、コンプレッサ６ａが回転駆動され、吸気通路４内の空気の過給が行われる。このターボチャージャー６は、固定翼式の過給機であり、タービン６ｂのタービンブレードの開口面積は一定である。
【００１９】
排気通路５には、排気ガスのエネルギーを回収するターボ発電機９と、排気ガスを処理する後処理システム１０を備えている。後処理システム１０は、排気ガスを浄化するための酸化触媒やＮＯｘ低減装置などから構成される排気ガス処理のシステムである。
【００２０】
ターボ発電機９は、排気ガスのエネルギーを電力として回収するエネルギー回収手段である。ターボ発電機９は、排気通路５に設けられたタービン９ａと、シャフトを介してタービン９ａに接続されたモータ９ｂと、を備えている。
【００２１】
このターボ発電機９では、エンジン本体３から排出された排気ガスの圧力（排気圧）によってタービン９ａが回転され、モータ９ｂにおいて発電が行われる。モータ９ｂで生じた電力は、車載のバッテリーに蓄えられる。バッテリーはリチウムイオン電池などの大容量のものが好ましい。
【００２２】
また、このターボ発電機９は、ＥＣＵ２によってコントロールされている。ＥＣＵ２は、タービン９ａの回転負荷（回転トルク）を変更する。タービン９ａの回転負荷を変更する方法は特に限定されないが、例えば電磁石を利用してシャフトの回転を抑制する方法などが挙げられる。電磁石はモータ９ｂに設けられていても良く、モータ９ｂとは別に設けられていてもよい。また、回転抑制用の発電機を別途設けてもよい。その他、摩擦などを利用して機械的にタービン９ａの回転負荷を変更する構成であってもよい。
【００２３】
また、ディーゼルエンジン１は、ＥＧＲ［Exhaust Gas Recirculation］通路１１が備えている。ＥＧＲ通路１１は、ＮＯｘ抑制や燃費向上を目的とした排気再循環を行うための通路であり、排気通路５と吸気通路４とを繋いでいる。ＥＧＲ通路１１には、排気通路５から導入した排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を冷却するＥＧＲクーラ１２と、ＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ１３が設けられている。
【００２４】
このディーゼルエンジン１では、ＥＣＵ２によってタービン９ａの回転負荷を変更することにより、排気通路５の排気圧を調整する。具体的に、ＥＣＵ２は、ＥＧＲ率コントロールのために排気圧の調整を行う。ＥＣＵ２は、エンジンの運転状況によって排気圧が吸気圧より低くなる場合（例えばエンジンに高トルクの負荷が掛かっている場合）であっても、適切にＥＧＲを効かせるため、吸気圧より排気圧が高くなるようにタービン９ａの回転負荷を変更して排気圧を調整する。
【００２５】
更に、ＥＣＵ２は、運転者が排気ブレーキボタンを操作した場合など、排気ブレーキを掛ける際にタービン９ａの回転負荷を増大させる。ＥＣＵ２は、タービン９ａの回転負荷を増大させて排気圧を高めることにより、エンジンのポンピングロスを大きくして制動力を発揮させる。なお、ＥＣＵ２は、排気ブレーキを掛ける際にタービン９ａを固定して回転不能な状態としてもよい。また、ディーゼルエンジン１は、排気ブレーキ専用の排気絞り弁を別途備えていてもよい。
【００２６】
以上説明した第１の実施形態に係るディーゼルエンジン１によれば、排気ガスからエネルギーを回収するターボ発電機９を備え、ターボ発電機９のタービン９ａの回転負荷を変更することにより排気ガスを排出しにくく又は排出しやすくして排気圧を調整することができる。しかも、このディーゼルエンジン１では、高まった排気圧が必ずタービン９ａを通過するので、そのエネルギーを回収することができる。従って、このディーゼルエンジン１によれば、排気圧の調整を実現しつつ、排気ガスから適切にエネルギー回収を行うことができる。これにより、ディーゼルエンジンの燃費向上を図ることができる。
【００２７】
また、このディーゼルエンジン１では、ＥＧＲ率をコントロールするため、排気圧が吸気圧より高くなるようにタービン９ａの回転負荷を変更して排気圧を調整することができる。このディーゼルエンジン１によれば、ＥＧＲを効かせるために高めた排気圧のエネルギーをタービン９ａで回収することができるので、排気圧損による燃費悪化を抑制することができる。これにより、通常時の排気調整において排気絞り弁を使用する必要が無くなるので、排気絞り弁を排気ブレーキ専用とすることもできる。この場合、排気絞り弁の使用頻度が大幅に低下するので排気絞り弁の長寿命化や構成の簡素化が可能となる。なお、必ずしも排気絞り弁を設ける必要はない。
【００２８】
更に、このディーゼルエンジン１によれば、タービン９ａの回転負荷を増大させることにより、排気圧を高めてポンピングロスを大きくさせ、排気ブレーキを掛けることができる。しかも、このディーゼルエンジン１によれば、排気ブレーキにおいて高まった排気圧のエネルギーをタービン９ａの回転として回収することができ、燃費向上に有利である。また、このディーゼルエンジン１では、ターボ発電機９により、排気ガスのエネルギーを汎用性の高い電力として回収することができる。回収した電力は、バッテリーに蓄積することもでき、様々な用途に用いることができる。
【００２９】
［第２の実施形態］
図２に示す意第２の実施形態に係るディーゼルエンジン２０は、第１の実施形態に係るディーゼルエンジン１と比べて、ターボ発電機９に代えて電動アシストターボ２１を備えている点が大きく異なる。なお、第１の実施形態と同様の構成には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３０】
電動アシストターボ２１は、排気ガスのエネルギーを回転エネルギーとして回収するエネルギー回収手段であり、回転エネルギーをディーゼルエンジン２０のクランクシャフト３ａに伝達させる。電動アシストターボ２１は、排気通路５に設けられたタービン２１ａと、シャフトを介してタービン２１ａに接続されたギア２１ｂと、を有している。
【００３１】
ギア２１ｂは、流体継手２３の入力側のギア２２と噛み合っている。流体継手２３は、流体を介して回転運動の伝達を行う継手である。流体継手２３の出力側のギア２４は、中間ギア２５を介してフライホイール２６のギア２７と連動している。フライホイール２６は、クランクシャフト３ａに接続している。このような構成により、電動アシストターボ２１のギア２１ｂの回転出力は、クランクシャフト３ａに伝達される。
【００３２】
この電動アシストターボ２１も、ＥＣＵ２によってコントロールされており、ＥＣＵ２は、タービン２１ａの回転負荷を変更することで排気圧の調整を行う。
【００３３】
以上説明した第２の実施形態に係るディーゼルエンジン２０によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、このディーゼルエンジン２０では、第１の実施形態に係るターボ発電機９に代えて、電動アシストターボ２１を備えており、排気ガスのエネルギーを回転エネルギーとしてクランクシャフト３ａに伝達することができる。この場合、排気ガスのエネルギーを高い効率で回収することができ、燃費向上に有利である。
【００３４】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明はディーゼルエンジンに限られず、ガソリンエンジンにも適用可能である。また、必ずしも固定翼式のターボチャージャーである必要はなく、可変ノズルベーンを有する可変容量ターボチャージャーを備えていてもよい。また、特許請求の範囲に記載のエネルギー回収手段としてターボチャージャーを利用してもよい。この場合のターボチャージャーは二段ターボの二段目とすることもできる。
【符号の説明】
【００３５】
１，２０…ディーゼルエンジン（内燃機関）  ２…ＥＣＵ（制御手段）  ３…エンジン本体  ３ａ…クランクシャフト  ４…吸気通路  ５…排気通路  ６…ターボチャージャー  ６ａ…コンプレッサ  ６ｂ…タービン  ７…エアクリーナ  ８…インタークーラ  ９…ターボ発電機（エネルギー回収手段）  ９ａ…タービン  ９ｂ…モータ  １０…後処理システム  １１…ＥＧＲ通路  １２…ＥＧＲクーラ  １３…ＥＧＲバルブ  ２１…電動アシストターボ（エネルギー回収手段）  ２１ａ…タービン  ２１ｂ…ギア  ２２，２４，２７…ギア  ２３…流体継手  ２５…中間ギア  ２６…フライホイール
【図１】
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【図２】
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