JP5050998B2

JP5050998B2 - 廃熱回収装置

Info

Publication number: JP5050998B2
Application number: JP2008131838A
Authority: JP
Inventors: 崇荻野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2028-05-20
Also published as: JP2009281179A

Description

本発明は廃熱回収装置、特にガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどのエンジンを熱源とし、熱源からの廃熱を駆動装置の動力として回収する廃熱回収装置に関する。

タービンと、コンプレッサと、その間に設置した排気冷却装置とを備え、排気熱を動力に変換する廃熱回収装置において、エンジン冷却水の廃熱を利用した吸収冷凍機を新たに設け、排気を冷却した冷媒の放熱をこの吸収冷凍機の蒸発器により行うものがある（特許文献１参照）。
特開２００２−１８８４３８号公報

ところで、図７に示したように、熱源からのガスを、タービンに導いて大気圧より低い値である負圧にまで膨張させた後に熱交換器に導いて冷却し、この冷却した排気をタービンと同軸のコンプレッサで負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す逆ブレイトンサイクルを利用した廃熱回収装置が考えられている。

この場合に、熱源として自動車用のエンジンを用いることを考慮するとき、タービンにはエンジンからの排気を導くことになるのであるが、自動車のエンジンでは、低負荷運転時、高負荷運転時など様々な運転モードが混在している。このため、運転モードによっては、タービンとコンプレッサとからなる回転体が駆動されないことがある。例えば、エンジンより排出される排気温度（排気エネルギ）が低い低温始動時や車両減速時にタービンとコンプレッサとからなる回転体が駆動されないことがある。

このようにタービンとコンプレッサとからなる回転体が駆動されないことがあると、運転全体でのエネルギー回収効率が低くなる。

そこで本発明は、エンジンの広い運転域でタービンとコンプレッサとからなる回転体が駆動されないことがない装置を提供することを目的とする。

本発明は、エンジンからの排気を、タービン（２）に導いて大気圧より低い値である負圧にまで膨張させた後に熱交換器（３）に導いて冷却し、この冷却した排気をタービン（２）と同軸のコンプレッサ（４）で負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、エンジンからの排気の一部を抜き取る排気抜き取り手段（１６）を備える。

本発明によれば、エンジンからの排気を、タービンに導いて大気圧より低い値である負圧にまで膨張させた後に熱交換器に導いて冷却し、この冷却した排気をタービンと同軸のコンプレッサで負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、エンジンからの排気の一部を抜き取る排気抜き取り手段を備えるので、排気抜き取り手段を介して抜き取った排気の分だけコンプレッサの圧縮仕事を低減でき、廃熱回収効率が向上する。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の第１実施形態の廃熱回収装置の概略構成を示している。エンジン１の排気管１１には、エンジン１からの排気を負圧まで膨張させるためのタービン２と、タービン２から出た排気を負圧下で冷却するための熱交換器３と、タービン１と同軸上にあって熱交換器３により冷却された排気を負圧から常圧（大気圧）まで圧縮するためのコンプレッサ４とを備えている。この場合に、タービン２、熱交換器３及びコンプレッサ４の仕様とタービン２の膨張比、コンプレッサ４の圧縮比とを最適に設定することにより、タービン２とコンプレッサ４からなる回転体が駆動される。

この回転体から動力を取り出すためタービン１、コンプレッサ４と同軸上でタービン２側にモータジェネレータ８を設けている。排気エネルギーによりタービン２を駆動することでモータジェネレータ８を発電機として働かせ、これにより排気エネルギーが電気エネルギーとして回収される。これは、いわゆる逆ブレイトンサイクルにより動力を得ることで廃熱回収を行うもので、図７が本発明の廃熱回収装置の基本構成となる。ここで、上記の「負圧」とは大気圧より低い圧力のことである。

コンプレッサ４を出た排気は三元触媒１２に導かれて浄化された後に排出される。図示しないがエンジン１は車両に搭載されている。

こうした廃熱回収装置の基本構成に対して第１実施形態では、熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａとスロットル部１５（ガソリンエンジンでは吸入空気を絞るスロットル弁が設けられている）下流の吸気管１４Ａとを連通するバイパス通路１６（排気抜き取り手段）を設けている。また、バイパス通路１６を開閉する流量制御弁１７を介装する。バイパス通路１６にはスロットル部１５下流の吸気管１４Ａ内の吸入空気が熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａに向かって流れることがないように逆止弁１８を設けておく。

バイパス通路１６は、エンジン１の吸入負圧を用いて熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａ内の排気の一部を抜き取るためのものである。すなわち、エンジンの低負荷運転時などスロットル弁が閉じられる運転時には、スロットル弁の前後に大きな圧力差が生じる。このとき、流量制御弁１７の全開状態では、熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａ内の排気圧力と、スロットル部１５下流の吸気管１４Ａ内の吸入負圧との差圧が大きくなり、この大きな差圧で熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａ内の排気の一部がスロットル部１５下流の吸気管１４Ａへと抜き取られることとなる。ここで、上記の「吸入負圧」とは、吸入空気を絞るスロットル弁によってスロットル部１５下流に生じる大気圧より低い圧力のことである。

一方、スロット弁が大きく開かれるエンジンの高負荷運転時になると、流量制御弁１７を全閉状態とする。これは、エンジンの高負荷運転時にはスロットル弁の前後に小さな圧力差しか生じず、この影響を受けて熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａ内の排気圧力とスロットル部１５下流の吸気管１４Ａ内の吸入負圧との差圧がエンジンの低負荷運転時より小さくなり、熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａ内の排気がエンジンの低負荷運転時ほどには抜き取られなくなるためである。

ここでは、流量制御弁１７を全開状態と全閉状態との２位置弁としてあるが、熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａ内からの、エンジン低負荷運転域における排気の抜き取り量を調整できる構造とすることもできる。そのためには、流量制御弁１７の開度をデューティ制御可能な弁で構成すればよい。

次に、タービン１、コンプレッサ４と同軸上でかつコンプレッサ側４に吸入空気を過給するための吸気用コンプレッサ２１（過給装置）を配置し、任意に廃熱から回生した駆動力をこの吸気用コンプレッサ２１に伝え得る構造とする。すなわち、吸気管１４をバイパスするバイパス通路２２がスロットル部１５の上流に設けられ、このバイパス通路２２に吸気用コンプレッサ２１が設けられている。

また、バイパス通路２２の吸気通路１４からの分岐部には三方向弁２４を備える。三方向弁２４は、吸入空気の流路を切換えるためのもので、吸気用コンプレッサ２１を働かせるため吸入空気を吸気用コンプレッサ２１に導入するときには、弁２４上流の吸気通路１４Ｂと分岐通路２２とを連通しかつ弁２４上流の吸気通路１４Ｂと弁２４下流の吸気通路１４Ｃとの連通を遮断する。吸気コンプレッサ２１を働かせないときには、弁２４上流の吸気通路１４Ｂと分岐通路２２との連通を遮断しかつ弁２４上流の吸気通路１４Ｂと弁２４下流の吸気通路１４Ｃとを連通する。

さらに、吸気用コンプレッサ２１とコンプレッサ４とを結ぶ軸２５には、吸気用コンプレッサ２１とコンプレッサ４とを任意に断続可能とするめの第１クラッチ２６が、またタービン２とモータジェネレータ８とを結ぶ軸２７には、タービン２とモータジェネレータ８とを任意に断続可能とするめの第２クラッチ２８が介装されている。すなわち、吸気用コンプレッサ２１を働かせるときに第１クラッチ２６が接続され、第２クラッチ２８が切断される。吸気コンプレッサ２１を働かせないときには第１クラッチ２６が切断され、第２クラッチ２８が接続される。このように２つのクラッチ２６、２８を設けたのは、吸気用コンプレッサ２１が不要なときには吸気用コンプレッサ２１の回転を停止させ、代わってモータジェネレータ８を発電機として働かせて廃熱回収を行わせるためである。電磁式、油圧式等クラッチの形式は問わない。

三方向弁２４によりバイパス通路２２を介して吸入空気を吸気用コンプレッサ２１に導くと共に、第１クラッチ２６を接続すると、タービン２とコンプレッサ４からなる回転体の動力により吸気用コンプレッサ２１が働き、吸気用コンプレッサ２１により過給された吸入空気はスロットル部１５上流の吸気通路１４に戻される。

バイパス通路２２から分岐する分岐通路２９が設けられ、この分岐通路２９に安全弁３０が設けられている。この安全弁３０は、吸気用コンプレッサ２１による過給圧が限界値を超えると開かれるものである。

このようにして、任意に廃熱から回生した動力を吸気用コンプレッサ２１に伝え得る構造とすると共に、吸気コンプレッサ２１を運転条件に応じ働かせたり働かせなかったりすることを可能としている。

エンジン１には、シリンダブロック及びシリンダヘッドを被覆するように形成されるウォータジャケット３１、ラジエータ３２、ウォータポンプ３３、サーモスタット３４、バイパス通路３５からなる冷却装置が設けられている。

この場合に、第１実施形態では、タービン２からの排気を冷却するための熱交換器３と、エンジン冷却水を冷却するためのラジエータ３２とを一体化している。すなわち、熱交換器３は、高温の排気と低温の冷却水との間で熱交換を行わせる直接式熱交換器であり、高温の状態で入ってきて熱を放出する排気が流れる管路３Ａと、低温の状態で入ってきて熱を受けとる冷却水が流れる管路３Ｂとからなっている。ラジエータ３２内には、ウォータジャケット３１のエンジン出口３１Ａから出た高温の冷却水を外気で冷却するためのチューブ３２Ａが設けられているので、ウォータポンプ３３の下流の冷却水通路３６から分岐して熱交換器３内の管路３Ｂの一端３Ｃ（右端）と接続される分岐通路３７と、管路３Ｂの他端３Ｄ（左端）と接続されラジエータの入口３２Ｃに合流する戻し通路３８とを設けている。

このように構成されると、ラジエータ出口３２Ｂから出た冷たい冷却水は、エンジン本体内のウォータジャケット３１に流れ込む。シリンダブロック及びシリンダヘッドとの熱交換で暖められるウォータジャケット３１内の冷却水は、エンジン出口３１Ａからエンジン本体の外に出てラジエータ３２の入口３２Ｃよりラジエータ３２内のチューブ３２Ａを流れここで放熱する。また、ラジエータ出口３２Ｂから出た冷たい冷却水はウォータポンプ３３下流の冷却水通路３６より分岐通路３７を経て熱交換器３内の管路３Ｂを流れる。熱交換器３内の管路３Ａを流れる排気により暖められた管路３Ｂ内の冷却水も、戻し通路３８を介してラジエータ３２の入口３２Ｃよりラジエータ３２内のチューブ３２Ａを流れここで放熱する。すなわち、主にラジエータ３２内のチューブ３２Ａ、分岐通路３７、熱交換器３内の管路３Ｂ、戻し通路３８の４つからエンジン冷却水の循環路３９が形成されている。

上記の分岐通路３７には流路切換弁４０が設けられている。流路切換弁４０は、冷却水を熱交換器３に流すか流さないかを切換えるもので、熱交換器３に冷却水を導入するときには開かれ、熱交換器３に冷却水を導入しないときには閉じられる。

なお、タービン２上流の排気管１１より分岐する通路４１にも安全弁４２が設けられている。

上記の流量制御弁１７、三方向弁２４、２つのクラッチ２６、２８及び流路切換弁４０は、エンジンコントローラ４５によって制御される。エンジンコントローラ４５には、図２に示したようにエアフローメータ４６、クランク角センサ４７、車速センサ４８、
三元触媒１２上流に設けられるフロント空燃比センサ４９、三元触媒１２下流に設けられるリア空燃比センサ５０からの各信号が入力されている。エンジンコントローラ４５ではこれらの信号に基づいてエンジンの運転モードを決定し、決定したエンジン運転モードに従った制御を行う。

エンジン１はスロットル部１５を有するガソリンエンジンである。このため、エンジンコントローラ４５では、三元触媒１２の実際の酸素ストレージ量が目標値となるようにフロント空燃比センサ４９の出力、リア空燃比センサ５０の出力に基づいて空燃比のフィードバック制御を行っている。また、燃費向上のため、車両の減速時にはエンジン１への燃料噴射弁からの燃料噴射をカットしている。なお、エンジンはガソリンエンジンに限られるものでなく、スロットル部１５を有する限りディーゼルエンジンであってもかまわない。

以下、代表的なエンジン運転モード（高負荷運転時、低負荷運転時や車両減速時、始動時、冷間時）について個別に説明する。

〈１〉エンジンの高負荷運転時
熱交換器３によりエンジンから出た排気を冷却して駆動力を得る。すなわち、流路切換弁４０を切換えて冷却水を熱交換器３に流しエンジンから出た排気を熱交換器３で冷却する。熱交換器３で排気を冷却することで、コンプレッサ４に入力される排気の体積が減少し、その冷却相当の排気体積の減少分だけコンプレッサ４の圧縮仕事が低減することになりタービン２とコンプレッサ４からなる回転体の駆動力が増す。この増した駆動力で吸気用コンプレッサ２１を働かせる。すなわち、三方向弁２４により吸入空気を吸気用コンプレッサ２１に導き、第１クラッチ２６を接続し、第２クラッチ２８を切断する。

また、エンジンの高負荷運転時にはスロットル部１５前後の差圧が大きくならず、熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａ内から排気を抜き取る効果があまり得られなくなるので、流量制御弁１７は全閉状態とする。

〈２〉エンジンの低負荷運転時や車両減速時
熱交換器３よりエンジンから出た排気を冷却して駆動力を得ると共に、熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａから排気の一部を抜き取る。すなわち、流路切換弁４０を切換えて冷却水を熱交換器３に流しエンジンから出た排気を熱交換器３で冷却する。熱交換器３で排気を冷却することで、コンプレッサ４に入力される排気の体積が減少し、その冷却相当の排気体積の減少分だけコンプレッサ４の圧縮仕事が低減することになりタービン２とコンプレッサ４からなる回転体の駆動力が増す。エンジンの低負荷運転時や車両減速時にはエンジンの高負荷運転時と異なり、この増した駆動力を用いてモータジェネレータ８を発電機として用いて働かせる。吸気用コンプレッサ２１は働かせない。すなわち、三方向弁２４により吸入空気を吸気用コンプレッサ２１に流さず、第１クラッチ２６を切断し、第２クラッチ２８を接続する。

一方、エンジンの高負荷運転時と異なり、流量制御弁１７を開いて熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａ内から排気をバイパス通路１６へと抜き取ることで、熱交換器３で冷却すべき排気流量が熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａ内から排気を抜き取らない場合より減少し、その減少分だけ熱交換器３を小型化できる。また、コンプレッサ４で圧縮する排気流量についても熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａ内から排気を抜き取らない場合より減少するため、その減少分だけコンプレッサ４の行う圧縮仕事が低減し、廃熱回収効率が向上する。

さて、エンジンの低負荷運転時と車両減速時とで制御を異ならせることがある。これについて説明する。図３は車両を運転した場合の一例である。図３においてｔ２のタイミングからｔ３までのタイミングまでの区間、ｔ５のタイミングからｔ６のタイミングまでの区間は車速が約４０〜６０ｋｍ／ｈの一定速運転時（低負荷運転時）であり、流量制御弁１７が所定開度ａまで開かれている。

これに対して、図３においてｔ３のタイミングからｔ４のタイミングまでの区間、ｔ６のタイミングからｔ８のタイミングまでの区間は車両減速時であり、車両減速時には車速一定の低負荷運転時よりも流量制御弁１７の開度を所定開度ａから所定開度ｂへと大きくしている。その理由は次の通りである。すなわち、車両減速時には燃料カットフラグ＝１となりエンジン１への燃料噴射弁からの燃料噴射をカットする、いわゆる燃料カットが行われるため、燃料カット中には排気管１１に設けている三元触媒１２中の酸素ストレージ量が増大してゆき最大値になってしまうと、燃料噴射弁からの燃料噴射を再開する、いわゆる燃料リカバー直後にＮＯｘ浄化に支障をきたす、という問題がある。そこで、燃料カットの行われる車両減速時にはエンジンの低負荷運転時よりも流量制御弁１７の開度を所定開度ａから所定開度ｂへと大きくすることで、酸素を多く含んだ燃料カット中のエンジン排出ガスをバイパス通路１６を介しスロットル部１５下流の吸気管１４Ａへと戻して循環させることで、三元触媒１２に流れるガスの流量を減らし三元触媒１２の酸素ストレージ量が増大することを抑制するためである。

ここで、ＮＯｘ浄化に支障をきたすことになる理由は、エンジンコントローラ４５では、ＨＣ、ＣＯの酸化とＮＯｘの還元とを同時に行わせるため、三元触媒１２の実際の酸素ストレージ量が最大酸素ストレージ量のほぼ半分（目標値）となるように三元触媒１２上流のフロント空燃比センサ４９の出力、三元触媒１２下流のリア空燃比センサ５０の出力に基づいて空燃比のフィードバック制御を行っており、燃料カット時に三元触媒１２の酸素が満杯になると、ＮＯｘから酸素を奪うことができなくなってしまうためである。

また、車両減速時にエンジンの低負荷運転時より流量制御弁１７の開度を所定値ａから所定値ｂへと大きくした分だけタービン２の回転速度をさらに上昇させることができる。

上記図３は車両停止状態にあるｔ１のタイミングより車両を加速し、ｔ２のタイミングより車速を一定に保ち、ｔ３のタイミングより減速し、ｔ４のタイミングより再加速し、ｔ５のタイミングより車速を一定に保ち、ｔ６のタイミングより減速しｔ８のタイミングで停車する場合に、スロットル弁開度、流量制御弁１７の開度がどのように変化するのかをモデルで示したものである。

なお、エンジンの低負荷時や車両減速時には原則として吸気用コンプレッサ２１は働かせないことを考えているが、低負荷運転状態からの加速時や車両減速時からの再加速時の運転性のつながりを考慮すると、低負荷状態からの加速時や車両減速からの再加速時に低負荷状態や車両減速状態であっても予め吸気用コンプレッサ２１を働かせておくようにしてもかまわない。

〈３〉エンジンの始動時、冷間時
熱交換器３上流かつタービン２下流から排気を抜き取る。すなわち、流量制御弁１７を開いて熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａから排気を抜き取ることで、早期にタービン２からコンプレッサ４までの通路を負圧にできるため、逆ブレイトンサイクルの始動性及び応答性が向上する。

エンジンの冷間始動時には切換弁４０を切換えて冷却水を熱交換器３に流さない。エンジンの冷間始動時に冷却水を熱交換器３に流さない理由は、エンジンの冷間始動時にはエンジン１の暖機を優先する必要があり、熱交換器３に冷却水を流すと熱交換器３に冷却水を流さない場合よりエンジン１の暖機完了が遅れるためである。

第２クラッチ２８はエンジンの始動時、冷間時に場合によっては接続することが考えられる。例えば、エンジンの暖機途中は排気熱が高いのでモータジェネレータ８を発電機として用いて働かせれば熱回収することができる。

なお、エンジンの始動時、冷間時には吸入空気を吸気用コンプレッサ２１に流さず、第１クラッチ２６を切断して吸気用コンプレッサ２１は働かせない。

これで代表的なエンジン運転モードについての個別説明を終了する。

ここで、本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、エンジン１からの排気を、タービン２に導いて大気圧より低い値である負圧にまで膨張させた後に熱交換器３に導いて冷却し、この冷却した排気をタービン２と同軸のコンプレッサ４で負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、エンジン１からの排気の一部を抜き取るバイパス通路１６（排気抜き取り手段）を備えるので、抜き取った排気の分だけコンプレッサ４の圧縮仕事を低減でき、廃熱回収効率が向上する。

本実施形態（請求項３に記載の発明）によれば、エンジン１にスロットル部１５を備え、排気抜き取り手段は熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａとスロットル部１５下流の吸気管１４Ａとを連通するバイパス通路１６であるので、熱交換器３を冷却する排気流量が減少するため、その減少分だけ熱交換器３を小型化できる。また、コンプレッサ４で圧縮する排気流量も減少するので、コンプレッサ４の圧縮仕事が低減し、廃熱回収効率が向上する。さらに、早期にタービン２とコンプレッサ４の間の排気管内を負圧にできるため、逆ブレイトンサイクルの始動性及び応答性が向上する。

本実施形態（請求項４に記載の発明）によれば、吸気用コンプレッサ２１（過給装置）をコンプレッサ４と同軸に配置するので、タービン２とコンプレッサ４からなる回転体を動力として吸気用コンプレッサ２１をエンジン負荷状態を問わずに駆動することが可能となった。

本実施形態（請求項５に記載の発明）によれば、モータジェネレータ８をタービン２と同軸にかつタービン２側に、吸気用タービン２１（過給装置）をコンプレッサ４と同軸にかつコンプレッサ４側にそれぞれ配置し、モータジェネレータ８とタービン２とを、また吸気用タービン２１とコンプレッサ４とをそれぞれ任意に断続できるクラッチ２６、２８を設けたので、タービン２とコンプレッサ４からなる回転体を動力として吸気用タービン２１とモータジェネレータ８とを選択的に駆動することができる。

本実施形態（請求項７に記載の発明）によれば、エンジン１が車両に搭載されたものであり、コンプレッサ４下流の排気管１１に三元触媒１２を、バイパス通路１６に流量制御弁１７を設け、三元触媒１２の実際の酸素ストレージ量が目標値となるようにフロント空燃比センサ４９の出力、リア空燃比センサ５０の出力に基づいて空燃比のフィードバック制御を行う空燃比フィードバック制御手段と、車両の減速時にエンジン１への燃料噴射弁からの燃料噴射をカットする（エンジンへの燃料供給をカットする）燃料カット手段とを備え、エンジンの低負荷運転時に流量制御弁１７を所定値（所定開度ａ）まで開き、エンジンの高負荷運転時に流量制御弁１７を全閉状態とし、車両の減速時に流量制御弁１７をエンジンの低負荷運転時よりも大きな所定開度（ｂ）まで開くので（図３第３段目参照）、車両減速時に燃料カットを行っている場合でも、燃料カット中に三元触媒１２の酸素ストレージ量が増えることを抑制することができ、燃料カットからの燃料リカバー直後のＮＯｘの発生を抑制することができる。

図４、図５は第２、第３の実施形態の廃熱回収装置の概略構成図で、図１と同一部分には同一の符号を付している。

まず第２実施形態は第１実施形態を簡略化したものである。すなわち、図４に示したように流量制御弁１７が削除されている。このように、流量制御弁１７を削除しても、スロットル弁が閉じられるエンジンの運転時（上記エンジンの低負荷運転時、車両減速時、エンジンの始動時、冷間時）には、スロットル部１５前後に大きな圧力差が生じ、この影響を受けて、熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａ内の排気圧力と、スロットル部１５下流の吸気管１４Ａ内の吸入負圧との差圧が大きくなり、この大きな差圧で熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａ内の排気の一部がバイパス通路１６を介してスロットル部１５下流の吸気管１４Ａへと抜き取られることとなる。言い替えると、スロットル弁が閉じられるエンジンの運転時に限れば、排気の抜き取りに関して第１実施形態と同様の効果が得られる。つまり、バイパス通路１６を介して抜き取った排気の分だけコンプレッサ４の圧縮仕事を低減でき、廃熱回収効率が向上する、という効果が得られる。

また、第２実施形態では、吸気用コンプレッサ２１、バイパス通路２２、三方向弁２４、クラッチ２６、２８が削除されている。これより、第２実施形態は、モータジェネレータ８を発電機として用いて働かせることにより、排気エネルギーを電気エネルギーとして回収するものとなる。

次に第３実施形態は、第２実施形態に対し排気抜き取り部を相違させたものである。すなわち、第２実施形態では、図４に示したように排気抜き取り部を熱交換器３上流かつタービン２下流の排気管１１Ａとしていたが、第３実施形態では、図５に示したように排気抜き取り部を熱交換器３下流かつコンプレッサ４上流の排気管１１Ｂとしたものである。

ここで、エンジンの負荷と回転速度が同じ運転条件で考えると、熱交換器３下流かつタービン４上流の排気管１１Ｂ内の排気温度は、熱交換器３上流かつコンプレッサ２下流の排気管１１Ａ内の排気温度より少しだけ低く、熱交換器３下流かつタービン４上流の排気管１１Ｂ内の排気圧力は熱交換器３上流かつコンプレッサ２下流の排気管１１Ａ内の排気圧力と同じであると考えられる。つまり、排気抜き取り部としては、第２実施形態と第３実施形態の間に大きな差異はないと考えられる。従って、第３実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果、つまりバイパス通路１６を介して抜き取った排気の分だけコンプレッサ４の圧縮仕事を低減でき、廃熱回収効率が向上する、という効果が得られる。

さて、ここまでは廃熱回収装置の側からエンジン１を考慮したものであった。

次にエンジンの側から廃熱回収装置をみてみると、図４、図５において排気の抜き取りのために設けたバイパス通路１６は、いわゆる排気再循環（ＥＧＲ）通路に相当する。つまり、第２、第３の実施形態によれば、バイパス通路１６を介して抜き取った排気の分だけコンプレッサ４の圧縮仕事を低減させて廃熱回収効率を向上させつつ、排気再循環をも行うことができている。このように、排気再循環が可能となると、ポンピングロス低減、燃焼制御等に排気再循環を利用できる。

この場合に、第２実施形態（請求項３に記載の発明）によれば、タービン２により排気エネルギーを回収した後の排気、つまりタービン２上流の排気よりも低温とした排気をバイパス通路１６を介してスロットル部１５下流の吸気管１４Ａへと再循環させることができるため、タービン２上流の高温の排気をそのままバイパス通路１６を介してスロットル部１５下流の吸気管１４Ａへと再循環させる場合より排気再循環量を実質的に増加させることができる。

また、第３実施形態（請求項２に記載の発明）によれば、さらに熱交換器３で冷却した排気をバイパス通路１６を介してスロットル部１５下流の吸気管１４Ａへと再循環させることができるため、熱交換器３上流かつタービン２下流の排気をバイパス通路１６を介してスロットル部１５下流の吸気管１４Ａへと再循環させる場合より排気再循環量を実質的に増加させることができる。

ただし、図４、図５においてはバイパス通路１６に流量制御弁が設けられていないので、このままではエンジンの運転条件に応じて排気再循環量（ＥＧＲ量）や排気再循環率（ＥＧＲ率）を制御することまではできない。しかしながら、図４、図５においてモータジェネレータ８をモータとして用いて働かせることで、エンジンの運転条件に応じた排気再循環量や排気再循環率の制御が可能となる。すなわち、エンジンの負荷と回転速度とが同じ運転条件でも、モータジェネレータ８をモータとして用いてタービン２の回転速度を増速してやるとバイパス通路１６を流れる排気再循環量（排気再循環率）を増やすことができ、この逆にタービン２の回転速度を減速してやるとバイパス通路１６を流れる排気再循環量（排気再循環率）を減らすことができる。

このように、第２、第３の実施形態において、さらにモータジェネレータ８をモータとして用いて働かせ、エンジンの運転条件に応じてこのモータの回転速度を制御することで（請求項９に記載の発明）、バイパス通路１６に排気再循環制御弁（ＥＧＲ弁）を設けることなしに排気再循環量や排気再循環率を自在に制御することができる。

なお、図１の場合についても、流量制御弁１７を全開状態に保持すれば、モータジェネレータ８をモータとして用いて働かせ、エンジンの運転条件に応じてこのモータの回転速度を制御することで、排気再循環量や排気再循環率を自在に制御することができる。

図６は第４実施形態の廃熱回収装置の概略構成図で、図１と同一部分には同一の符号を付している。図６は図４、図５に示す第２、第３の実施形態に置き換わるものである。

第４実施形態は、排気抜き取り部をコンプレッサ４下流の排気管１１Ｃとし、抜き取った排気をバイパス通路１６を介してスロットル部１５下流の吸気管１４Ａに戻すようにしたものである。

ここで、第４実施形態を第２、第３の実施形態と比較すると、エンジンの負荷と回転速度が同じ運転条件のとき、排気抜き取り部であるタービン４下流の排気管１１Ｃ内の排気温度、排気圧力は、第２、第３の実施形態の排気抜き取り部であるタービン２下流かつコンプレッサ４上流の排気管１１Ａ、１１Ｂ内の排気圧力、排気温度よりいずれも高くなっている。このことは、排気再循環を行うことができる運転領域が第２、第３の実施形態よりも拡大することを意味する。

このように、第４実施形態（請求項８に記載の発明）によれば、第２、第３の実施形態よりも幅広い運転領域（エンジンの負荷と回転速度とをパラメータとする運転領域）で排気再循環（ＥＧＲ）を行うことができる。

また、第２、第３の実施形態と同様に、モータジェネレータ８をモータとして用いて働かせ、エンジンの運転条件に応じてこのモータの回転速度を制御することで（請求項９に記載の発明）、排気再循環制御弁（ＥＧＲ弁）をバイパス通路１６に設けることなしに排気再循環量や排気再循環率を自在に制御することができる。

ただし、第４実施形態では、第２、第３の実施形態のようにコンプレッサ４上流より排気を抜き取ることはしていないため、抜き取った排気の分だけコンプレッサ４の圧縮仕事を低減でき、廃熱回収効率が向上する、という効果は得られない。

実施形態では、一定の膨張比を有するタービン２と一定の圧縮比を有するコンプレッサ４との組合せである場合で説明したが、膨張比を可変に調整可能なタービン２と圧縮比をを可変に調整可能なコンプレッサとの組合せである場合にも本発明を適用できる。

実施形態では、タービン２からの排気を冷却するための熱交換器３と、エンジン冷却水を冷却するためのラジエータ３２とを一体化している場合で説明したが、これに限られるものでなく、別に設けた冷却装置からの冷媒（冷却水）を熱交換器３に供給するように構成してもかまわない。

本発明の第１実施形態の廃熱回収装置の概略構成図。エンジンコントローラへの入出力を示すブロック図。ある運転時の流量制御弁開度の変化を示すタイミングチャート。第２実施形態の廃熱回収装置の概略構成図。第３実施形態の廃熱回収装置の概略構成図。第４実施形態の廃熱回収装置の概略構成図。本発明の廃熱回収装置の基本構成図。

符号の説明

１エンジン
２タービン
３熱交換器
４コンプレッサ
８モータジェネレータ
１１排気管
１１Ａ熱交換器上流かつタービン下流の排気管
１１Ｂ熱交換器下流かつコンプレッサ上流の排気管
１４吸気管
１４Ａスロットル部下流の吸気管
１５スロットル部
１６バイパス通路（排気抜き取り手段）
１７流量制御弁
２１吸気用コンプレッサ（過給装置）

Claims

エンジンからの排気を、タービンに導いて大気圧より低い値である負圧にまで膨張させた後に熱交換器に導いて冷却し、この冷却した排気をタービンと同軸のコンプレッサで負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、
エンジンからの排気の一部を抜き取る排気抜き取り手段を備えることを特徴とする廃熱回収装置。
エンジンにスロットル部を備え、
前記排気抜き取り手段は前記コンプレッサ上流かつ前記熱交換器下流の排気管と前記スロットル部下流の吸気管とを連通するバイパス通路であることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
エンジンにスロットル部を備え、
前記排気抜き取り手段は前記熱交換器上流かつ前記タービン下流の排気管と前記スロットル部下流の吸気管とを連通するバイパス通路であることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
吸気を過給する過給装置を前記コンプレッサと同軸に配置することを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
モータジェネレータを前記タービンと同軸にかつタービン側に、吸気を過給する過給装置を前記コンプレッサと同軸にかつコンプレッサ側にそれぞれ配置し、
前記モータジェネレータとタービンとを、また前記過給装置とコンプレッサとをそれぞれ任意に断続できる構造とすることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
前記バイパス通路に流路切換弁を設け、
エンジンの低負荷運転時にこの流路切換弁を全開状態とし、エンジンの高負荷運転時にこの流路切換弁を全閉状態とすることを特徴とする請求項２または３に記載の廃熱回収装置。
エンジンが車両に搭載されたものであり、
前記コンプレッサ下流の排気管に三元触媒を、前記バイパス通路に流量制御弁を設け、
三元触媒の実際の酸素ストレージ量が目標値となるようにフロント空燃比センサの出力、リア空燃比センサの出力に基づいて空燃比のフィードバック制御を行う空燃比フィードバック制御手段と、
車両の減速時にエンジンへの燃料供給をカットする燃料カット手段と
を備え、
エンジンの低負荷運転時に前記流量制御弁を所定値まで開き、エンジンの高負荷運転時に前記流量制御弁を全閉状態とし、車両の減速時に前記流量制御弁をエンジンの低負荷運転時よりも開くことを特徴とする請求項２または３に記載の廃熱回収装置。
エンジンにスロットル部を備え、
前記排気抜き取り手段は前記コンプレッサ下流の排気管と前記スロットル部下流の吸気管とを連通するバイパス通路であることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
モータジェネレータを前記タービンと同軸に配置し、このモータジェネレータをモータとして用いてモータの回転速度を制御することを特徴とする請求項２、３、８のいずれか一つに記載の廃熱回収装置。