(57)【要約】【課題】  ＥＧＲガスの排熱エネルギを有効に利用しつつ排気タービン過給機の駆動力不足、すなわち過給圧不足を補うことができるようにする。【解決手段】  排気ガスをＥＧＲガス路（１８）を通してＥＧＲガスとして再吸気させるＥＧＲシステムと、エンジン排気ガス路（１０）を通して排気される排気ガスにより回転駆動されて吸気を過給する排気タービン過給機（１２）とを備えたエンジン（２）に使用されるものであって、ＥＧＲガス路を通るＥＧＲガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換システム（２０）と、この熱電変換システムによって発生した電気を用いて上記排気タービン過給機の過給圧を高める過給機補助システム（３６）とを備える。【選択図】        図１
2007239566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスをＥＧＲガス路（１８）を通してＥＧＲガスとして再吸気させるＥＧＲシステムと、エンジン排気ガス路（１０，６８，８０）を通して排気される排気ガスにより回転駆動されて吸気を過給する排気タービン過給機（１２，４０，６０，７４）とを備えたエンジン（２）に使用されるものであって、前記ＥＧＲガス路を通る前記ＥＧＲガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換システム（２０，５０，６６，７８）と、前記熱電変換システムによって発生した前記電気を用いて前記排気タービン過給機の過給圧を高める過給機補助システム（３６，４４，６４，７０，７２）とを備えたことを特徴とするＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置。
【請求項２】
前記過給機補助システムは、前記エンジン（２）と前記排気タービン過給機（１２）との間の前記エンジン排気ガス路（１０）に配設されて前記電気により前記エンジン排気ガス路を通る前記排気ガスを加熱する電気加熱器（３６）を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置。
【請求項３】
前記過給機補助システムは、前記排気タービン過給機（４０）の上流側のエンジン吸気路（４２）に配設されると共に前記電気により回転駆動されて前記エンジン吸気路を通る前記吸気を加圧して前記排気タービン過給機へ送る電動過給機（４４）を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置。
【請求項４】
前記過給機補助システムは、回転軸が前記排気タービン過給機（６０）の回転軸（６２）に連結されると共に前記電気により回転駆動されて前記排気タービン過給機の前記回転軸を回転駆動させる電動モータ（６４）を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置。
【請求項５】
前記過給機補助システムは、前記電気により回転駆動されて油圧を発生させる電動油圧ポンプ（７０）と、回転軸が前記排気タービン過給機（７４）の回転軸（７６）に連結されて前記電動油圧ポンプにより発生した前記油圧によって回転駆動されるオイルタービン（７２）とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置。
【請求項６】
前記熱電変換システムは、前記ＥＧＲガス路（１８）に配設されて前記ＥＧＲガスの熱エネルギを用いて蒸気を発生させる蒸気発生システム（２２）と、前記蒸気発生システムによって発生した前記蒸気により回転駆動される蒸気タービン（２４）と、前記蒸気タービンによって回転駆動されて電気を発生させる発電機（２８）とを備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置。
【請求項７】
前記熱電変換システムは、前記ＥＧＲガス路に配設されて前記ＥＧＲガスの熱エネルギによって電気を発生させる熱電素子を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＥＧＲシステムと排気ガス駆動の排気タービン過給機とを備えたエンジンに使用されて好適な、ＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、トラック等の車両に搭載されるエンジンのＥＧＲシステムは、エンジンの排気ガスの一部を再度エンジンに吸気させ、吸気中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、エンジンにＮＯX の低減を図るものである。
【０００３】
特に、近年におけるディーゼルエンジン等のＮＯX 低減対策として極めて重要なシステムであり、排気ガスのうちＥＧＲガスとしてエンジンに再給気させる割合はますます増大している。将来的には、最大時にエンジンの排気ガスの約６０％がＥＧＲガスとしてエンジンに再吸気されるようになることも想定される。
【０００４】
しかしながら、このＥＧＲガスは、エンジン吸気前にＥＧＲクーラによってエンジン冷却水との熱交換を行い、適温にまで冷却される。この場合、ＥＧＲガスから排出される多量の熱エネルギをエンジンラジエータによって放出しなければならず、将来の高ＥＧＲ化を考えた場合、エンジンラジエータを大型化しなければならないという問題が生じる。この高ＥＧＲ化に伴うラジエータの大型化は、エンジン収納スペースとの関係で、特に車両用エンジンにおいて極めて重要な問題である。
【０００５】
また、エンジンラジエータからの排熱は大気への無駄な熱エネルギの放出であり、環境問題としても重要である。このため、ＥＧＲガスの熱エネルギを単に大気へ放出するのではなく、それを他のシステムの熱源等として有効利用するため、種々の装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この一方、エンジンの排気ガス駆動の排気タービン過給機を備えたエンジンでは、エンジンの排気ガスの熱エネルギを利用して吸気圧を高め、それによってエンジン出力の増大を図るものである。しかしながら、上述のように、将来的には最大時にエンジンの排気ガスの約６０％がＥＧＲガスとしてエンジンに再吸気されることを考慮すると、この過給機を駆動させるエネルギが減少して駆動力不足、すなわち過給圧不足が発生する恐れがある。
【特許文献１】特開平７−１８０６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、高ＥＧＲ化に伴う排気タービン過給機の駆動力不足及びエンジンラジエータの大型化の問題を同時に解決するものであって、ＥＧＲガスの排熱エネルギを有効に利用しつつ排気タービン過給機の駆動力不足、すなわち過給圧不足を補うことができる、ＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置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】
【０００８】
上述の課題を解決するために、本発明が採用する手段は、排気ガスをＥＧＲガス路を通してＥＧＲガスとして再吸気させるＥＧＲシステムと、エンジン排気ガス路を通して排気される排気ガスにより回転駆動されて吸気を過給する排気タービン過給機とを備えたエンジンに使用されるものであって、ＥＧＲガス路を通るＥＧＲガスの熱エネルギを電気エネ
ルギに変換する熱電変換システムと、この熱電変換システムによって発生した電気を用いて上記排気タービン過給機の過給圧を高める過給機補助システムとを備えたＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置を提供することである。
【０００９】
このように、本発明のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置によれば、熱電変換システムがＥＧＲガスの熱エネルギを電気エネルギに変換し、過給機補助システムがこの発生した電気を用いて排気タービン過給機の過給圧を高めるから、例えば、高ＥＧＲ化によって過給機の駆動力不足が発生した場合にも、多量に使用するＥＧＲガスがその熱エネルギによって過給機の駆動力不足、すなわち過給圧不足を補うという、いわば自己完結型の優れた作用を奏する。
【００１０】
これと共に、ＥＧＲガスは熱電変換システムによって電気エネルギに変換されるときに温度が低下するから、ＥＧＲガスのエンジン冷却水による冷却が不要になり、あるいは、仮にＥＧＲガスのエンジン冷却水による追加冷却が必要になった場合にも、エンジンラジエータへの負担が大幅に減少し、その大型化が確実に防止される。
【００１１】
好ましくは、上記過給機補助システムは、エンジンと排気タービン過給機との間のエンジン排気ガス路に配設されて上記電気によりエンジン排気ガス路を通る排気ガスを加熱する電気加熱器を備える。このように、電気加熱器がエンジン排気ガス路を通る排気ガスを加熱することにより、この排気ガス温度が上昇して過給機の過給圧を高めることができる。
【００１２】
又は、上記過給機補助システムは、排気タービン過給機の上流側のエンジン吸気路に配設されると共に上記電気により回転駆動されてこのエンジン吸気路を通る吸気を加圧して排気タービン過給機へ送る電動過給機を備える。このように、電動過給機が吸気を予め一定程度加圧しておくことにより、排気タービン過給機の過給圧を高めることができる。
【００１３】
又は、上記過給機補助システムは、その回転軸が排気タービン過給機の回転軸に連結されると共に上記電気により回転駆動されてこの排気タービン過給機の回転軸を回転駆動させる電動モータを備える。このように、電動モータが排気タービン過給機の回転軸を回転駆動させることにより、その過給圧を高めることができる。
【００１４】
又は、上記過給機補助システムは、電気により回転駆動されて油圧を発生させる電動油圧ポンプと、回転軸が排気タービン過給機の回転軸に連結されると共に電動油圧ポンプにより発生した油圧によって回転駆動されるオイルタービンとを備える。このように、オイルタービンが排気タービン過給機の回転軸を回転させることにより、その過給圧を高めることができる。
【００１５】
好ましくは、上記熱電変換システムは、ＥＧＲガス路に配設されてＥＧＲガスの熱エネルギを用いて蒸気を発生させる蒸気発生システムと、この蒸気発生システムによって発生した蒸気により回転駆動される蒸気タービンと、蒸気タービンによって回転駆動されて電気を発生させる発電機とを備える。このように、蒸気発生システムがＥＧＲガスの熱エネルギを用いて蒸気を発生させ、蒸気タービンがこの蒸気によって回転し、発電機が蒸気タービンによって回転駆動されることにより、上記過給機補助システムが使用する電気をＥＧＲガスの熱エネルギから発生させることができる。
【００１６】
又は、上記熱電変換システムは、ＥＧＲガス路に配設されてＥＧＲガスの熱エネルギによって電気を発生させる熱電素子を備える。このように、熱電素子を用いることにより、簡単な構成によりＥＧＲガスの熱エネルギを電気エネルギに変換することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置は、排気ガスをＥＧＲガス路を通してＥＧＲガスとして再吸気させるＥＧＲシステムと、エンジン排気ガス路を通して排気される排気ガスにより回転駆動されて吸気を過給する排気タービン過給機とを備えたエンジンに使用されるものであって、ＥＧＲガス路を通るＥＧＲガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換システムと、熱電変換システムによって発生した電気を用いて上記排気タービン過給機の過給圧を高める過給機補助システムとを備えるから、高ＥＧＲ化に伴う排気タービン過給機の駆動力不足及びエンジンラジエータの大型化の問題を同時に解決するものであって、ＥＧＲガスの排熱エネルギを有効に利用しつつ排気タービン過給機の駆動力不足、すなわち過給圧不足を補うことができる、という優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に係るＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置の発明を実施するための最良の形態を、図１ないし図５を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１に示すように、エンジン２の吸気側にインテークマニホールド４が、排気側にはエクゾーストマニホールド６がそれぞれ接続される。インテークマニホールド４はエンジン吸気路８に、エクゾーストマニホールド６はエンジン排気ガス路１０にそれぞれ接続される。
【００２０】
エンジン２には、吸気を加圧するのため排気タービン過給機１２が配設され、過給機１２のコンプレッサ１４が上述のエンジン吸気路８に介挿され、タービン１６が上述のエンジン排気ガス路１０に介挿される。コンプレッサ１４とタービン１６は、回転軸１５により連結される。
【００２１】
すなわち、排気タービン過給機１２は、エンジン排気ガス路１０を通して排気されるエンジン２の排気ガスによりそのタービン１６が回転駆動され、その回転軸１５を介してタービン１６に連結されるコンプレッサ１４が吸気を過給する。一方、過給機１２のタービン１６を出たエンジン２の排気ガスは、図示しない大気汚染物質除去のための後処理装置や消音のためのマフラー等を通して大気中へ排気される。
【００２２】
エンジン２には、エクゾーストマニホールド６から排気されるエンジン２の排気ガスの一部を、インテークマニホールド４に戻して再吸気させるためのＥＧＲシステムが配設されている。
【００２３】
このＥＧＲシステムは、上述のようにエンジン２の排気ガスの一部を再度エンジン２に吸気させ、吸気中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、エンジンにＮＯX の低減を図るものである。特に、エンジン２の一例としてのディーゼルエンジン等のＮＯX 低減対策として極めて重要なシステムであり、ＥＧＲガスとしてエンジン２に再吸気させる割合は、最大時に排気ガス総量の約６０％にも達する。
【００２４】
具体的には、エクゾーストマニホールド６とインテークマニホールド４との間にＥＧＲガス路１８が配設され、ＥＧＲガス路１８には、ＥＧＲガス路１８を通るＥＧＲガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換装置（熱電変換システム）２０、及びＥＧＲガスの流量調節を行なう流量調節弁３４等が、エクゾーストマニホールド６側からこの順にそれぞれ配設される。
【００２５】
また、エンジン２のエクゾーストマニホールド６と排気タービン過給機１２のタービン１６との間のエンジン排気ガス路１０には、電気加熱器（過給機補助システム）３６が介
挿され、この電気加熱器３６は、熱電変換装置２０が発生させた電気を用いてエンジン排気ガス路１０を通る排気ガスを加熱する。このように、電気加熱器３６がエンジン排気ガス路１０を通る排気ガスを加熱することにより、過給機１２のタービン１６の入口ガス温度が上昇して、その過給圧を高めることができる。
【００２６】
図２に、熱電変換装置２０の一例が示される。熱電変換装置２０は、ＥＧＲガス路１８に配設されてＥＧＲガスの熱エネルギを用いて蒸気を発生させる蒸気発生器２２と、この蒸気発生器２２によって発生した蒸気により回転駆動される蒸気タービン２４と、連結軸２６を介してこの蒸気タービン２４によって回転駆動されて電気を発生させる発電機２８と、蒸気タービン２４から排気された蒸気を水に戻す復水器３０と、復水器３０から供給される水を加圧して再び蒸気発生器２２へ送る加圧ポンプ３２と、その他図示しない必要な構成要素とからなる。
【００２７】
上述の復水器３０としては、例えば、冷却水を通して蒸気タービン２４から排気された蒸気を水に戻す水冷式のものや、空気により蒸気を冷却して水に戻す空冷式のもの等がある。
【００２８】
なお、蒸気を発生させるための装置としては、上述のようにＥＧＲガスの熱エネルギを用いて直接蒸気を発生させる蒸発器型の熱交換器のほか、ＥＧＲガス路に配設されてＥＧＲガスの熱エネルギによって高温水を発生させるヒータ型の熱交換器と、このヒータ型の熱交換器により発生した高温水を他の熱源を追加利用して蒸気を発生させる蒸発器との組み合わせ等、さまざまな構成のものが考えられる。
【００２９】
また、熱電変換装置２０として、ＥＧＲガス路の配管内に配設されてＥＧＲガスの熱エネルギによって直接電気を発生させる、図示しない熱電素子を用いることもできる。この熱電素子を用いれば、簡単な構成によってＥＧＲガスの熱エネルギを電気エネルギに変換することができる。
【００３０】
以上のように、本発明のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置によれば、熱電変換装置２０がＥＧＲガスの熱エネルギを電気エネルギに変換し、電気加熱器３６が、必要時に熱電変換装置２０が発生させた電気を用いて過給機１２の過給圧を高める。
【００３１】
したがって、例えば、高ＥＧＲ化によって排気タービン過給機１２の駆動力不足が発生した場合にも、多量に使用するＥＧＲガスがその熱エネルギによって過給機１２の駆動力不足を補い、その過給圧不足を解消する。なお、過給圧が充分であり、電気加熱器３６による排気ガスの加熱が不要な場合には、熱電変換装置２０が発生した電気は図示しない蓄電池等に蓄えられる一方、この蓄電池等に蓄えられた電気は必要時にこの電気加熱器３６の加熱に使用されたり、あるいは他のシステムで使用される。
【００３２】
この一方、ＥＧＲガスは熱電変換装置２０を通過することにより、その熱エネルギが電気エネルギに変換されて温度低下する。このため、本実施の形態では、エンジン冷却水によってＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲガス熱交換器が装備されていない。これにより、エンジン冷却水システム、特にその配管等が単純化され、大幅なコスト削減を図ることができると共に、エンジンラジエータの負担が大幅に減少し、その大型化が確実に防止される。また、仮にＥＧＲガスのエンジン冷却水による追加冷却が必要になった場合にも、エンジンラジエータの負担の大幅軽減という点では同様である。
【００３３】
このように、本発明のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置は、高ＥＧＲ化による排気タービン過給機１２の駆動力不足を、この多量のＥＧＲガスが有する熱
エネルギを用いて補い、いわば自己完結型の解決を行なうと共に、これまで問題となっていたエンジンラジエータへの負担の増大という問題も併せて解決するという、極めて優れたものである。
【００３４】
図３を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３に示されるように、第２の実施の形態では、上述の第１の実施の形態の電気加熱器３６に代えて、排気タービン過給機４０の上流側のエンジン吸気路４２に、電動過給機（過給機補助システム）４４が配設される。
【００３５】
電動過給機４４は、そのコンプレッサ４６が電動モータ４８により回転駆動され、この電動モータ４８は熱電変換装置（熱電変換システム）５０によって発生した電気によって回転駆動される。すなわち、ＥＧＲガスの有する熱エネルギを熱電変換装置５０が電気エネルギに変換し、この熱電変換装置５０が発生した電気によって電動過給機４４が吸気を予め一定程度加圧することにより、排気タービン過給機４０で駆動力不足が発生した場合にも、その過給圧を所望の圧力にまで高めることができる。その他は、上述の第１の実施の形態と同様であり、その説明を省略する。
【００３６】
図４を参照して、本発明の第３の実施の形態について説明する。図４に示されるように、第３の実施の形態では、上述の第１の実施の形態の排気タービン過給機１２及び電気加熱器３６に代えて、電動モータ補助の排気タービン過給機６０が配設される。
【００３７】
排気タービン過給機６０は、その回転軸が過給機６０の回転軸６２に一体に連結された電動モータ（過給機補助システム）６４を有し、この電動モータ６４の回転軸が熱電変換装置（熱電変換システム）６６により発生した電気によって回転駆動されて、過給機６０の回転軸６２を回転駆動させる。これにより、排気タービン過給機６０の過給圧を高めることができる。
【００３８】
これと共に、エンジン排気ガス路６８を通る排気ガスが多量にあり、排気タービン過給機６０の過給圧が充分に得られている場合には、この電動モータ６４を過給機６０の駆動による発電機として使用して、電気を発生させることもできる。その他は、上述の第１の実施の形態と同様であり、その説明を省略する。
【００３９】
図５を参照して、本発明の第４の実施の形態について説明する。図５に示されるように、第４の実施の形態では、上述の第１の実施の形態の排気タービン過給機１２及び電気加熱器３６に代えて、電動油圧ポンプ７０（過給機補助システム）とオイルタービン７２（過給機補助システム）と排気タービン過給機７４とが配設される。
【００４０】
オイルタービン７２は、その回転軸が過給機７４の回転軸７６に一体に連結される。また、電動油圧ポンプ７０は、熱電変換装置（熱電変換システム）７８が発生した電気により回転駆動されて、油圧を発生させる。すなわち、オイルタービン７２が、電動油圧ポンプ７０が発生した油圧により回転駆動されて、過給機７４の回転軸７６を回転駆動させることにより、その過給圧を高める。その他は、上述の第１の実施の形態と同様であり、その説明を省略する。
【００４１】
本発明は上述の４つの実施の形態に制約されるものでない。例えば、過給機補助システム及び熱電変換システムは、上述のものに限定されるものではなく、種々の形態のものが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係るＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機補助装置の第１の実施の形態を示す模試図である。
【図２】図１の熱電変換装置の一例を示す模試図である。
【図３】同第２の実施の形態を示す模試図である。
【図４】同第３の実施の形態を示す模試図である。
【図５】同第４の実施の形態を示す模試図である。
【符号の説明】
【００４３】
２  エンジン
４  インテークマニホールド
６  エクゾーストマニホールド
８  エンジン吸気路
１０  エンジン排気ガス路
１２  排気タービン過給機
１４  コンプレッサ
１５  回転軸
１６  タービン
１８  ＥＧＲガス路
２０  熱電変換装置
２２  蒸気発生器
２４  蒸気タービン
２６  連結軸
２８  発電機
３０  復水器
３２  加圧ポンプ
３４  流量調節弁
３６  電気加熱器
４０  排気タービン過給機
４２  エンジン吸気路
４４  電動補助過給機
４６  コンプレッサ
４８  電動モータ
５０  熱電変換装置
６０  排気タービン過給機
６２  回転軸
６４  電動モータ
６６  熱電変換装置
６８  エンジン排気ガス路
７０  電動油圧ポンプ
７２  オイルタービン
７４  排気タービン過給機
７６  回転軸
７８  熱電変換装置
８０  エンジン排気ガス路
【図１】
2007239566.tif 000003
【図２】
2007239566.tif 000004
【図３】
2007239566.tif 000005
【図４】
2007239566.tif 000006
【図５】
2007239566.tif 000007