JP6307616B2 - 内燃機関システム - Google Patents

Description

本開示は、内燃機関と、排気システムと、排気再循環回路と、内燃機関に空気を充填するために第１の圧縮機と相互作用する第１のタービンを備える過給機と、を備える、内燃機関システムに関する。排気再循環路は、第１のタービンの上流において内燃機関からの排気ガスを迂回させ、第１の圧縮機の下流に排ガスを流出させるように配置される。本開示は、また、このような内燃機関システムを備える車両に関する。

過給機、即ちタービン及び圧縮機、と共に内燃機関を設けることが広く知られている。特定のエンジンには、二段過給機が設けられ、当該二段過給機は、一般的に、低圧及び高圧タービン、並びに、低圧及び高圧圧縮機を備え、このようなタービン及び圧縮機は、互いに直列に接続される。これは、一般的に、エンジンの効率を上げ、更に多くの動力を得るために、更に多くの空気が燃焼のために供給されるためである。

高高度での運転時に、エンジン用の過給機によって生じる空気圧は、車両に対して十分な動力を供給するには十分なものではない。車両が高高度で運転されているとエンジンが判断した場合に、過給機の速度が上がることによって、更に多くの空気がエンジンに供給される。この際、過給機がその制限速度を超える危険性がある。更に、高度が高くなればなるほど、大気が薄くなるため、過給機における加圧が十分ではない。これらの高高度は、例えば１５００ｍであってもよく、車両が世界のどこを目的地とするかによって最大３０００ｍであってもよい。海抜ゼロ地点と比べて、これらの高高度において同様に良好な性能、若しくは、少なくとも過度に下がらない性能が車両に望まれる。

内燃機関には、また、燃焼温度を下げることによりエンジンからの排出物を低減するために、排気再循環システム（ＥＧＲシステム）が設けられる。燃料低減及び排気物質が現在の車両開発における２つの大きな課題であることが広く知られている。

また、ＥＧＲシステムを有するエンジンについては、スロットル又はタービンの迂回によってタービン仕事を低減する過給機が設けられることが知られている。これは、エンジンの吸気側と排気側との圧力バランスがＥＧＲシステムにとって不利となり得るためである。このようなシステムは、排ガスの一部の流れを排気側から吸気側に良好に送るために、エンジンの排気側に比べてエンジンの吸気側において低圧となることが好ましい。

過給機と併用される、所謂「短経路ＥＧＲ」を開示する文献は、特許文献１である。当該文献において、タービンが圧縮機に接続される排気路に接続される動力源を開示する。また、パワーシステムについて、ＥＧＲ冷却器を備える排気再循環路を開示する。当該文献は、適切な燃焼のために再循環排ガスの温度を更に良好に適合させるために、ＥＧＲ冷却器における温度を調節することに注目している。これは、ＥＧＲ冷却器に対して圧縮空気を供給する第２の圧縮機を追加することによってなされる。第２の圧縮機は、第１の圧縮機と同一のタービン、或いは、個別の第２のタービンに接続される。

米国特許出願公開第２０１２／０１２４９９２号明細書

本開示は、特に高高度における運転性を更に向上させ、特に大型トラック等の車両における内燃機関の効率を向上させることを目的とする。

この目的及びその他の目的は以下の説明から明らかである。

本開示の第１の態様によれば、以下の内燃機関システムが開示される。当該内燃機関システムは、内燃機関と、排気システムと、排気再循環回路と、内燃機関に空気を充填するために第１の圧縮機と相互作用する第１のタービンを備える過給機と、を備える。排気再循環路は、第１のタービンの上流において内燃機関からの排気ガスを迂回させ、第１の圧縮機の下流に排ガスを流出させるように配置される。内燃機関システムは、第１の圧縮機の下流側、且つ、内燃機関の上流側の位置で圧縮空気を迂回させるように位置するブリード空気経路を備える。第２のタービンは、ブリード空気経路からブリード空気を受け、ブリード空気経路からエネルギを回収するように配置される。

この種の内燃機関システムによって、いくつかの効果が得られる。過給機及びＥＧＲシステムを有することによる好影響が維持されることにより、内燃機関における低温での効率的な燃焼が維持され、結果として、排気物質が低減される。更に、内燃機関システムは、高高度での良好な運転性、並びに、通常高度での運転と高い高度での運転との間の良好な適合をもたらす。これは、総能力で使用されることからスロットル又はその他の種類の性能低下手段の必要性が少ない第１のタービンの使用によって実現可能である。ブリード空気経路を介してブリード空気が搬送され、生成された余剰エネルギを第２のタービンにおいて回収するために、第１のタービンからの利用可能な余剰能力又は過剰能力を第１の圧縮機において代わりに使用する。この結果、更に良好な燃費を実現するように、第１のタービンの能力を更に良好に利用すると共に、そこからのエネルギの回収がなされる。

また、ブリード空気経路が、第１の圧縮機の下流側、且つ、内燃機関の上流側に位置し、第１の圧縮機が、内燃機関に対して圧縮空気を搬送するものでもあるため、コンパクトな内燃機関システムが、非常に限られた空間であるコンパートメントにおいて嵩張るだけでなく、材料、生産、及びメンテナンスについてコストが嵩む付加的又は不要な装置なしに、実現可能である。結論として、このような付加的な装置によって、干渉が増し、内燃機関からの推進エネルギに対する要求が増すため、これらの装置を少なくすることによってシステム全体の効率が向上する。

一実施形態によれば、ブリード空気経路は、内燃機関から生じる廃熱源との熱交換のために構成される。内燃機関システムは、車両の推進には使用しない非常の多量のエネルギを生じる。このエネルギは、主に熱として放出される。この廃熱は、単に大気中に放出される代わりに、内燃機関システムの他の装置に対してエネルギを搬送するために使用されることが好ましい。この実施形態によれば、この廃熱の少なくとも一部は、このエネルギが第２のタービンにおいても回収可能なように、ブリード空気経路との熱交換に使用される。

一実施形態によれば、廃熱源は、排気熱源である。内燃機関エネルギシステムにおける廃熱の主要な要因は、内燃機関における燃料の燃焼である。ブリード空気経路が、熱交換によって内燃機関の排気熱源と相互作用する場合には、エネルギの回収の増加が実現可能である。

一実施形態によれば、廃熱源は、排気再循環回路である。排気再循環回路との熱交換は、当該回路における熱エネルギが少なくとも部分的に取り除かれ、当該エネルギが回収可能なブリード空気経路に搬送されることを意味する。エネルギを回収する効果に加えて、本実施形態の付加的な効果は、排気再循環回路における排ガスの温度が下がることである。これにより、排気再循環回路の冷却効果が向上し、内燃機関における燃焼温度が更に下がる。これにより、ＮＯｘ及び煤等の、燃焼からの排出物が少なくなる。

一実施形態によれば、廃熱源は、排気再循環回路以外の任意の排気熱源である。これらの熱源は、排気システム、排気システムに接続される任意の排気後処理システム、又はその他の利用可能な任意の廃熱源であり得る。

一実施形態によれば、排気再循環回路は、排気再循環冷却器を備え、ブリード空気経路は、排気再循環冷却器における排ガスとの熱交換のために、排気再循環冷却器を通過するように構成される。排気再循環回路の性能の向上のために、内燃機関の吸気マニホールドに搬送される排ガスの温度を更に下げるための排気再循環冷却器を追加することが有利である。従って、放出される廃熱を回収するために、排気再循環冷却器において放出される熱をブリード空気経路との熱交換に有利に使用可能である。排気再循環冷却器が内燃機関システム内に既に位置する場合には、本願効果を奏するように、ブリード空気経路との熱交換のために排気再循環冷却器を再設計する必要がある。

一実施形態によれば、ブリード空気経路を通過するブリード空気の量を調節するために、ブリード空気経路に調節弁が位置する。当該調節弁によって、エネルギの回収のために内燃機関又はブリード空気経路のいずれかに搬送される圧縮空気の量の調節の実現性が増す。このように、内燃機関システムに対して、大気圧等の周囲条件に対する適合を向上する効果がもたらされる。高高度での運転の場合に、調節弁は、極限条件下において、圧縮空気のブリード空気経路への流入を完全に防ぎ、これによって、全ての利用可能な圧縮空気が、適切な燃焼のために内燃機関に搬送され、内燃機関システムから搬送される動力又はトルクがそのまま保たれるか、少なくとも可能な限り高いレベルで保たれる。

一実施形態によれば、第２のタービンは、排気再循環冷却器の下流に位置する。

一実施形態によれば、第２のタービンは、内燃機関へのエネルギを回収するように配置される。内燃機関へのエネルギを回収する場合に、当該エネルギは、内燃機関システム及び車両の運転に使用される。

一実施形態によれば、第２のタービンは、回収エネルギを機械エネルギに変換するように配置される。一例として、機械エネルギとしてエネルギを回収する場合には、当該エネルギは、内燃機関のクランクシャフトに搬送され、内燃機関システム及び車両の推進に使用可能である。

一実施形態によれば、第２のタービンは、回収エネルギを電気エネルギに変換するように配置される。一例として、電気エネルギとしてエネルギを回収する場合には、当該エネルギは、内燃機関の電池に搬送され、内燃機関システム及び車両に接続されるか、それらの内部に位置する、付加的な装置の運転に使用可能である。

一実施形態によれば、第２のタービンは、ギアトレインを介して内燃機関に動作可能に接続される。ギアトレインは、第２のタービンから内燃機関にエネルギを搬送するための効率的な周知の方法である。従って、その実施が容易である。

一実施形態によれば、ギアトレインは、捩れ緩衝装置に動作可能に接続される。これによって、第２のタービンに至る前に、内燃機関からの動力変動のいずれも減衰される。そうでなければ、このような動力変動によって、第２のタービンの軸継手が損傷し得る。動力変動は、内燃機関から共通の変速機に対して不連続的に動力が付与され、各燃焼行程が個別の工程であることから生じる。動力変動は、主に、内燃機関からの排気圧の変動から生じる。

一実施形態によれば、内燃機関は、第２の圧縮機と相互作用する第３のタービンを更に備え、第３のタービン及び第２の圧縮機は、第１のタービン及び第１の圧縮機よりも低い圧力で作動するように配置される。第３のタービン及び第２の圧縮機を追加することによって、内燃機関システムが実質的に二段過給システムとなる。従って、燃焼の向上のために、更に多くの量の圧縮空気を内燃機関に対して付与し、タービンにおける膨張によって更に多くのエネルギを回収可能である。第３のタービン及び第２の圧縮機は、第１のタービン及び第１の圧縮機よりも低い圧力でそれぞれ作動する。これは、内燃機関又はブリード空気経路に流入する前に、大気が第２の圧縮機に先ず取り込まれ、次に第１の圧縮機に取り込まれることを意味する。同様に、任意の排気後処理システム等に流入し大気に放出される前に、内燃機関からの排ガスは、第１のタービンを先ず通過し、次に第３のタービンを通過する。中間冷却器が第２の圧縮機と第１の圧縮機との間に位置することは有利であるが、必須ではない。

一実施形態によれば、内燃機関は、排ガスから機械エネルギを回収するためにギアトレインを有するターボコンパウンド・タービンを更に備え、第２のタービンは、ターボコンパウンド・タービンのギアトレインに動作可能に接続される。ターボコンパウンド・タービンは、排ガスと相互作用することによって、そこからエネルギを回収する。ターボコンパウンドは、第３のタービンに加えてもよいし、第３のタービンの代わりとなってもよい。ターボコンパウンド・タービンは、第１のタービンの下流に位置することが好ましいが、必須ではない。

一実施形態によれば、第２のタービンは、ターボコンパウンド・タービンと共通のギアトレインに接続される。内燃機関システムに第２のタービン及びターボコンパウンド・タービンの両方が設けられる場合に、両者は、ギアトレインを介して内燃機関システムに接続可能である。両タービンに対して同一のギアトレインを利用する場合には、コンパクトなシステムが実現する。

一実施形態によれば、ブリード空気経路におけるブリード空気、並びに、排気システムにおける排ガスは、排気再循環冷却器において互いに独立して維持される。排気再循環冷却器においてブリード空気及び排ガスを互いに独立して維持することによって、両者は接触することがない。このように熱交換以外によって相互作用することがない場合に、ブリード空気、即ち単なる圧縮によって温度が上昇した、大気からの新鮮な空気は、低減する必要がある燃焼排出物、より好ましくは完全に除去する必要がある燃焼排出物を含み得る排ガスによって汚染されない。これによって、ブリード空気は、実質的に、第２のタービンを通過後、直接大気中に放出可能である。さもなければ、排出物の除去のための任意の排気後処理システムを通過し、このような排気後処理システムに対する不要な要求が増加する。

一実施形態によれば、ブリード空気経路は、排気システムに接続される任意の排気後処理システムの下流において排気システムに合流する。従って、ブリード空気によって、排気後処理システムの能力に対する要求が大きくなることはない。

一実施形態によれば、ブリード空気経路におけるブリード空気、並びに、排気システムにおける排ガスは、排気システムに接続される任意の排気後処理システムの下流においてブリード空気が排気システムに流出するまで、互いに独立して維持される。

一実施形態によれば、内燃機関は、排気システムに位置する廃熱回収熱交換器と、排ガスからエネルギを回収するために廃熱回収タービンを有する廃熱回収回路と、を更に備える。内燃機関システムから生じる排ガスが大気と同一の温度となるまで、任意の所望の方法で温度の増加分を回収し内燃機関システムにおいて使用可能である。問題は、このような温度の増加分が回収可能なくらい十分に高いか否かである。内燃機関システム内の機器に対する過度の投資がなく効率的な方法で温度の増加分が回収可能である場合に有利である。従って、当該実施形態において、廃熱が任意の所望の方法で回収可能なように付加的な廃熱回収熱交換器を備える。

一実施形態によれば、廃熱回収熱交換器は、排気システムに接続される任意の排気後処理システムの下流に位置する。排気後処理システムの少なくとも一部が適切に機能するために、温度が上昇した排ガスを排気後処理システムに対して供給することが有利である。ディーゼル微粒子捕集フィルタ及び選択触媒還元触媒等の装置は、特定の温度間隔内で動作することによって、フィルタリング及び触媒効果をもたらすことが知られている。任意の排気後処理システムの下流に廃熱回収熱交換器を設置した場合に、排気後処理システムにおける排ガスの温度を維持する効果、並びに、排気後処理システムにおける燃焼又は触媒プロセスからの更なる熱動力を廃熱回収熱交換器で受けることが可能となる効果の両方をもたらす。

一実施形態によれば、廃熱回収タービンは、回収エネルギを機械エネルギに変換するように配置される。機械エネルギは、内燃機関システムにおいて特に推進動力として利用可能である。

一実施形態によれば、廃熱回収タービンは、回収エネルギを電気エネルギに変換するように配置される。電気エネルギは、内燃機関システムの任意の電池において特に充電電力として利用可能である。

一実施形態によれば、廃熱回収タービンは、ギアトレインを介して内燃機関に動作可能に接続される。ギアトレインは、廃熱回収タービンから内燃機関にエネルギを搬送するための効率的な周知の方法である。従って、その実施が容易である。

一実施形態によれば、廃熱回収タービンは、第２のタービンと同一のギアトレインに動作可能に接続される。これにより、内燃機関システムのコンパクト性が更に向上する。これは、多くの装置が、既に存在するギアトレインを使用するためである。

一実施形態によれば、内燃機関は、調節弁を制御するように配置されるエンジン制御ユニットを更に備える。

一実施形態によれば、エンジン制御ユニットは、内燃機関における必要空気量に基づいて調節弁を制御するように配置される。

一実施形態によれば、エンジン制御ユニットは、大気圧に基づいて調節弁を制御するように配置される。その他の選択肢としては、例えば大気温度が挙げられる。

本開示の第２の態様によれば、以下の車両が開示される。当該車両は、上述の実施形態のいずれか１つに記載の内燃機関を備える。第２の態様に係る車両は、その対応する内燃機関システムと同一の効果を実質的に奏する。

一実施形態によれば、内燃機関は、ディーゼルエンジンである。当該内燃機関は、特にディーゼル燃料及びジメチルエーテル（ＤＭＥ）で運転する。

添付の図面を参照して、本開示の実施形態を説明する。

本開示に係る内燃機関システムを備える大型トラックの概略図である。 本開示に係る内燃機関システムの概略図である。 本開示の第１の代替実施形態に係る内燃機関システムの概略図である。 本開示の第２の代替実施形態に係る内燃機関システムの概略図である。

図１を参照して、本開示において説明される一種の内燃機関システム２が有利である大型トラック１を説明する。しかしながら、内燃機関システム２は、例えばバス及び軽トラック等のその他の種類の車両においても十分に実施可能である。その他の用途は、所謂発電セットと呼ばれる船舶用途等であってもよい。内燃機関システム２は、例えばディーゼル又はジメチルエーテル（ＤＭＥ）等の幾つかの異なる種類の燃料で運転可能なディーゼルエンジンであってもよい。その他の種類の燃料も考えられる。

初めに、図２に基づいて本開示の一般概念を説明する。符号「２」は、図２に示すような全体設計を指し、「内燃機関システム」と称される。内燃機関システム２は、内燃機関１０と、排気システム２４と、排気再循環回路２０と、符号「１１」で示される一般的な過給機と、を備える。過給機１１は、内燃機関１０に空気を充填するために、第１の圧縮機１２と相互作用する第１のタービン１３を備える。排気再循環路１７は、第１のタービン１３の上流において内燃機関１０からの排気ガスを迂回させ、第１の圧縮機１２の下流に排ガスを流出させるように配置される。ブリード空気経路１８は、第１の圧縮機１２の下流側、且つ、内燃機関１０の上流側の位置で圧縮空気を迂回させるように位置し、第２のタービン１５は、ブリード空気経路１８からブリード空気を受け、ブリード空気経路１８からエネルギを回収するように配置される。

第１の圧縮機は、吸気路１９を介して大気１４から新鮮な非圧縮空気を取り込み、当該空気は、第１の圧縮機１２を通過し、更にブリードオフポイント２７に向かう。ブリードオフポイント２７において、ブリード空気経路１８は、吸気路１９から分岐する。図２の実施形態において、ブリードオフポイント２７は、第１の圧縮機１２の下流に位置するが、それと同等に、第１の圧縮機１２内に実質的に位置してもよい。吸気路１９は、排気再循環入口２３に続き、排気再循環入口２３において排気ガスがある場合には、当該ガスが吸気路１９内に流出する。最後に、吸気路１９は、内燃機関１０に続き、内燃機関１０には、圧縮空気が吸気マニホールド２１を介して流入する。

内燃機関１０内の不図示の燃焼室において発生する排ガスは、排気マニホールド２２を介して内燃機関１０から流出し、排気システム２４を通過する。排気システム２４は、最終的に大気１４に排ガスを放出する排気路１６を有してもよい。放出前に、排ガスは、先ず排気再循環出口２５を通過する。排気再循環出口２５において、一定量の排気ガスが、排気路１６から流出し、排気再循環路１７に流入する。そして、排ガスは、第１のタービン１３を通過し、第１のタービン１３において、当該ガスが膨張し、第１のタービン１３を駆動する。第１のタービン１３は、第１の圧縮機１２に接続され、第１の圧縮機１２を駆動する。最後に、排ガスは、排気システム２４のａｆｔ部を通過し、例えばテイルパイプを介して内燃機関システム２から出る。

ブリードオフポイント２７において吸気路１９からブリード空気経路１８に流入する一部の圧縮空気は、「ブリード空気」と一般的に称されるものである。ブリード空気に含まれるエネルギは、内燃機関システム２から大気１４に出る前に、第２のタービン１５において膨張放出される。第２のタービン１５において回収されるエネルギは、好ましいと考えられる任意の方法で内燃機関システム２に戻ってもよい。尚、第１の圧縮機１２は、一般的に、内燃機関１０又はブリード空気経路１８に搬送される空気を圧縮する。また、ブリード空気は、排ガスの成分が大気に流出可能なものとなるまで、排ガスと接触しない。

図３及び図４は、本開示の第１及び第２の代替実施形態をそれぞれ示す。第１及び第２の実施形態のいずれも、図１及び図２に示す一般概念を共に有する。従って、図１及び図２を参照して既に述べられた部分については、更なる問題点又は関連事実がない限り、以下で更に説明しない。

尚、図３及び図４において、ブリード空気経路１８は、内燃機関１０の「後側」に位置するように見えるが、内燃機関といずれのやり取りを行うものではなく、ブリード空気経路１８は、内燃機関１０をただ通過するものである。当然、実際の内燃機関システム２における正確な位置は異なってもよい。

図３は、本開示の第１の代替実施形態を示す。当該実施形態は、実質的に、二段過給機を備え、二段過給機は、既に説明された図２の実施形態の過給機１１に相当する第１の過給機１１と、第３のタービン３０と相互作用する第２の圧縮機２９を備える第２の過給機２８と、を備える。第２の過給機２８は、低圧過給機であり、第１の過給機１１は、高圧過給機であり、これにより、大気１４から取り込まれる空気は、先ず第２の圧縮機２９を通過し、そこで特定のレベルまで圧縮され、次に第１の圧縮機１２を通過し、そこで高い圧力に更に圧縮される。それに対応して、排ガスは、先ず第１のタービン１３を通過し、特定のレベルまで膨張し、次に第３のタービン３０を通過しながら、更に高いレベルまで膨張する。

中間熱交換器３４は、最初の圧縮工程後の圧縮空気を冷却するために、第２及び第１の圧縮機２９，１２の間に位置する。中間熱交換器３４は、更に、内燃機関システム２のその他の部分に対して、流入路３６及び流出路３５を介して接続される。これについては、以下でより詳細に説明する。

第２及び第１の圧縮機２９，１２からの圧縮空気は、先ず充填空気冷却器４２を通過し、次に排気再循環入口２３を通過した後、吸気マニホールド２１を介して内燃機関１０に流入する。

内燃機関１０それ自身は、エンジン冷却出口通路４５及びエンジン冷却入口通路４６を備えるエンジン冷却回路を備え、エンジン冷却出口通路４５とエンジン冷却入口通路４６との間にはエンジン冷却器４４が位置する。このようなエンジン冷却回路は、当該技術分野において知られており、その説明を省略する。

向風冷却器４１は、流入路３６を介して中間熱交換器３４に接続され、これによって、流入路３６における冷却媒体が、向風冷却器４１において通過風によって冷却され、中間熱交換器３４に送られる。ここにおいて、冷却媒体は、熱エネルギの交換以外では圧縮空気とは独立して維持される。吸気路１９における圧縮空気は、結果的に冷却され、取り除かれた熱エネルギは、流出路３５を介して低温排気再循環冷却器３７に向かう。低温排気再循環冷却器３７は、以下で短縮して「ＬＴＥＧＲ冷却器３７」と称される。最終的に、ＬＴＥＧＲ冷却器３７が通路４７を介して向風冷却器４１に戻ることによって、閉回路が構成される。従って、当該回路における冷却媒体は、第２の圧縮機２９からの圧縮空気、並びに、内燃機関１０からの排ガスの両方と熱交換する。

エンジン冷却器４４、充填空気冷却器４２、及び向風冷却器４１は、全て、内燃機関システム２の前端部に位置し、ここにおいて、車両１の道路走行時に冷たい新鮮な空気と合流する。

この実施形態によれば、排気再循環回路２０は、図２について上述した実施形態と比べて僅かに複雑である。図３の実施形態に係る内燃機関１０には、排気マニホールド２２の２つの個別の出口２２ａ，２２ｂが設けられ、出口２２ａ，２２ｂのそれぞれは、第１のタービン１３に接続される。各出口２２ａ，２２ｂから、排気再循環回路２０で再循環する排ガスを所望量取り込むように、対応する排気再循環出口２５ａ，２５ｂが位置する。各部において再循環ガスの量を調節するために、調節弁２６ａ，２６ｂが排気再循環回路２０の各部に設置される。これらの調節弁２６ａ，２６ｂは、まとめて調節されるか、個別に調節されてもよい。排気再循環回路２０の２つの部分は、ポイント４８において１つの排気再循環路１７にまとめられる。集合点４８の通過後、排気路１７における排ガスは、先ず高温排気再循環冷却器３８に流入する。高温排気再循環冷却器３８は、以下で短縮して「ＨＴＥＧＲ冷却器３８」と称される。次に、排ガスは、上述のＬＴＥＧＲ冷却器３７に流入する。ＬＴＥＧＲ冷却器３７を通過後、排ガスは、吸気マニホールド２１を介して内燃機関１０に流入する前に、排気再循環入口２３において圧縮空気と合流するように進む。

実際は熱交換器であるＨＴＥＧＲ冷却器３８において、内燃機関１０からの初めは熱い排ガスと、第１の圧縮機１２からの初めは冷たいブリード空気と、の間において熱交換が行われる。熱交換以外に、排気ガスとブリード空気との接触はない。２つのガス流れは、結果的に、ＨＴＥＧＲ冷却器３８内において互いに独立して維持される。

実際は熱交換器であるＬＴＥＧＲ冷却器３７において、ＨＴＥＧＲ冷却器３８からの初めは未だ温かい排ガスと、向風冷却器４１からの初めは冷たい冷却媒体と、の間において熱交換が行われる。熱交換以外に、排気ガスと冷却媒体との接触はない。ガス及び冷却媒体の流れは、結果的に、ＬＴＥＧＲ冷却器３７内において互いに独立して維持される。

ブリード空気経路１８は、そこに位置するブリード空気調節弁３９を備える。ブリード空気調節弁３９は、車両に十分な推進動力を与えるために、ブリード空気がブリードオフポイント２７において吸気路１９から取り込まれないような略完閉状態と、内燃機関１０が吸気路１９から適量の圧縮空気を受ける程度に開いた状態とのいずれかになるように、ブリード空気経路１８を通過するブリード空気の量を調節するように構成される。ブリード空気調節弁３９は、例えば、大気圧・大気温度、内燃機関１０における必要空気量、又はこれらに直接的又は間接的に対応する測定値に基づいて調節可能である。これによって、内燃機関システム２は、周囲条件に応じて、内燃機関１０に搬送される圧縮空気の量を調整可能である。

排気システム２４は、排気後処理システム（ＥＡＴＳ）３１を備える。ＥＡＴＳ３１は、第３のタービン３０の下流に位置し、排気ガスが、大気１４に放出される前にＥＡＴＳ３１を通過する。合流点４０がＥＡＴＳ３１の下流に位置し、合流点４０において、排気システム２４からの排ガスと、ブリード空気経路１８からのブリード空気と、が合流する。ブリード空気は、新鮮なブリード空気を汚染せず、ＥＡＴＳ３１に対する不要な要求の増加がないように、合流点４０において排気システム２４に流入する。

当該実施形態において、ＥＡＴＳは、ディーゼル微粒子捕集フィルタ（ＤＰＦ）３１と、選択触媒還元触媒（ＳＣＲ）３２と、を備えるが、車両及び燃料の種類との組み合わせに適切とされる任意の数のその他の周知の部品を任意の順番で備えてもよい。

図４に示す第２の代替実施形態は、図３における第１の代替実施形態についても述べられた全ての特徴を有する。従って、図３を参照して既に述べられた部分は、含まれる特徴に関する更なる問題点又は関連事実がない限り、以下で更に説明されない。

図４は、付加的な廃熱回収システム（ＷＨＲシステム）５５を更に示す。ＷＨＲシステム５５は、排ガスに残留するいずれの熱エネルギも回収するために排気路１６に位置する廃熱回収熱交換器（ＷＨＲ熱交換器）５１を備える。ＷＨＲシステム５５は、冷却媒体用の流入路５２及び流出路５３を備え、当該冷却媒体は、廃熱回収タービン（ＷＨＲタービン）５０において回収された熱エネルギを搬送する。ＷＨＲタービン５０は、内燃機関１０におけるクランクシャフト（不図示）にギアトレイン５４を介して接続される。このように、ＷＨＲシステム５５によって回収される残留熱エネルギは、車両の推進のための機械エネルギとして回収可能である。

上述の実施形態の全てにおいて、第２のタービンは、エネルギを回収するために、内燃機関１０に接続されてもよい。第２の代替実施形態において、これは、ギアトレイン５４に対して第２のタービン１５を接続し、次に、ギアトレイン５４を内燃機関１０のクランクシャフトに接続することによって可能である。ＷＨＲシステム５５及び第２のタービン１５の両方において同一のギアトレイン５４を利用することによって、コンパクトなシステムが実現可能である。

ギアトレイン５４及び／又は内燃機関システム２において利用される任意の付加的なギアトレインには、内燃機関１０において発生する動力変動のいずれも減衰するために、捩れ緩衝装置が設けられてもよい。

本開示の一般概念から逸脱することなく、多くの代替実施形態が考えられる。例えば、冷却器、即ち向風冷却器４１、充填空気冷却器４２、及びエンジン冷却器４４の相対位置は、車両の軸方向に対して異なる順番であってもよく、特に図３及び図４に示す順番でなくてもよい。これらの冷却器は、連続して互いに前後に位置する必要はなく、互いに垂直方向に重なり合うか、水平方向に隣接するか、それらの位置の組み合わせであってもよい。

第１及び第２の代替実施形態の両方において、ブリード空気経路１８におけるブリード空気は、ＨＴＥＧＲ冷却器３８及びＬＴＥＧＲ冷却器３７において排ガスから熱エネルギを取り込む。或いは、ブリード空気は、内燃機関システム２又は車両において任意の熱源から熱エネルギを取り込むことが可能である。このような熱エネルギ源は、任意の廃熱源であってもよい。排ガスに含まれる余分な熱について特に注目して上述したが、例えば電池又は電池パック用の冷却システム、電動機、又は発電機等のその他の廃熱源も考えられる。

図２の実施形態と同様に、図３及び図４に示す第１及び第２の代替実施形態においては、排気マニホールド２２からの出口を１つのみ設けてもよい。このような場合には、調節弁２６は１つであり、集合点４８はない。これは、第１のタービン１３に対する入口が１つのみ必要であることを意味する。

調節弁２６又は２つの調節弁２６ａ，２６ｂは、図３及び図４に示すもの以外の種類であってもよい。例えば、内燃機関１０において背圧を発生させる調節弁２６が、選択肢の１つである。

ＨＴＥＧＲ冷却器３８及びＬＴＥＧＲ冷却器３７、並びに、中間熱交換器３４のいずれか１つ又は全ては、熱交換器に代わりに、特に周囲を通過する風によって直接冷却されるような冷却器であってもよい。このような場合には、図３及び図４について述べられたような方法で、冷却媒体を含む冷却回路に対して接続される可能性が低い。ＨＴＥＧＲ冷却器３８及びＬＴＥＧＲ冷却器３７は、また、これら自身の冷却回路に接続されてもよく、中間熱交換器３４に接続されなくてもよい。実際は、中間熱交換器３４は、完全に除外されている。このような場合には、向風冷却器４１のみがＬＴＥＧＲ冷却器３７に対して接続される。

ＨＴＥＧＲ冷却器３８及びＬＴＥＧＲ冷却器３７の組み合わせの代わりに、１つのみのＥＧＲ冷却器（又はＥＧＲ熱交換器）があってもよい。総熱交換効果、即ち冷却効果は、結果として、この１つのＥＧＲ冷却器においてもたらされる。当該実施形態において中間熱交換器３４もない場合には、向風冷却器４１、並びに、それに対応する流入路３６及び流出路３５を設ける必要がない。１つ以上のＥＧＲ冷却器の有無に関わらず、ブリード空気経路１８におけるブリード空気と、排気再循環回路２０における排ガスとが熱交換以外の任意のやり取りでは互いに独立して維持されるように、ブリード空気と排ガスとの熱交換がなされる。

ブリード空気経路１８は、排気システム２４と必ずしも組み合わせる必要がなく、ブリード空気は、例えば第２のタービン１５の下流から直接大気１４に放出される等、ブリード空気経路１８から直接大気１４に放出されてもよい。

いずれの図においても不図示の、内燃機関１０を制御するように構成されるエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）は、ブリード空気経路１８の任意のブリード空気調節弁３９及び排気再循環回路２０の調節弁２６，２６ａ，２６ｂを含む内燃機関システム２も制御するように更に構成されることは有利ではあるが、必須ではない。ＥＣＵは、大気圧及び内燃機関１０における必要空気量のいずれか一方又は両方に基づいてブリード空気調節弁３９を調節するように構成されてもよい。

図２乃至図４において、直線状の６シリンダエンジンを有する内燃機関１０を備えるように示すが、例えばＶ型シリンダ構成、或いは、シリンダ数が４のシリンダ構成等の任意の種類のシリンダ構成が本開示において使用可能である。

第２のタービン１５及び／又はＷＨＲシステム５５は、代替的に、エネルギ回収のために複数の個別のギアトレインに接続されてもよい。また、電気エネルギを回収する第２のタービン１５及び／又はＷＨＲシステム５５を、例えば不図示の電池又は電池パックに対して接続可能である。当該電池又は電池パックは、例えばスタータモータ、ファン、又は空調システム等の、内燃機関システム２又は車両における付加的な部品に対するエネルギ源として使用されるだけでなく、車両の推進のために１つ以上の電気機械も有する一体型推進システムに対するエネルギ源として使用可能である。

第３のタービン３０の代替物又は補足物として、内燃機関システム２には、排ガスから機械エネルギを回収するためにギアトレインを有するターボコンパウンド・タービン（不図示）が設けられてもよい。このギアトレインは、好ましくは、第２のタービン１５が接続されるギアトレイン５４であってもよいが、独立したものであってもよい。ターボコンパウンド・タービンの追加による効果は、車両の推進のために、排ガスからエネルギを回収可能であることである。ターボコンパウンド・タービンが第２のタービン１５と同一のギアトレイン５４に対して接続されている場合には、コンパクトな内燃機関システム２が実現可能となる。場合によっては、このようなターボコンパウンド・タービンが設けられた内燃機関システム２には、ＷＨＲシステム５５が設けられていないが、必ずしもこのような構成である必要はない。

上述の代替実施形態は、主請求項の特徴が満たされており、その他の方法が特に明記されていない限り、有利とされる任意の方法で組み合わせ可能である。

Claims (26)

1. 内燃機関（１０）と、排気システム（２４）と、排気再循環回路（２０）と、前記内燃機関（１０）に空気を充填するために第１の圧縮機（１２）と相互作用する第１のタービン（１３）を備える過給機（１１）と、を備え、排気再循環路（１７）は、前記第１のタービン（１３）の上流において前記内燃機関（１０）からの排気ガスを迂回させ、前記第１の圧縮機（１２）の下流に前記排気ガスを流出させるように配置され、前記第１の圧縮機（１２）の下流側、且つ、前記内燃機関（１０）の上流側の位置で圧縮空気を迂回させるように位置するブリード空気経路（１８）をさらに備える、内燃機関システム（２）において、第２のタービン（１５）は、前記ブリード空気経路（１８）からブリード空気を受け、前記ブリード空気経路（１８）からエネルギを回収するように、前記ブリード空気経路（１８）に配置され、前記ブリード空気は、非浄化排ガスと接触せず、
   前記ブリード空気経路（１８）は、前記内燃機関（１０）から生じる廃熱源との熱交換のために構成され、
   前記廃熱源は、前記排気再循環回路（２０）である
   ことを特徴とする内燃機関システム（２）。
2. 前記排気再循環回路（２０）は、排気再循環冷却器（３７，３８）を備え、前記ブリード空気経路（１８）は、前記排気再循環冷却器（３７，３８）における前記排気ガスとの熱交換のために、前記排気再循環冷却器（３７，３８）を通過するように構成される、請求項１に記載の内燃機関システム（２）。
3. 前記ブリード空気経路（１８）を通過するブリード空気の量を調節するために、前記ブリード空気経路（１８）に調節弁（３９）が位置する、請求項１又は２に記載の内燃機関システム（２）。
4. 前記第２のタービン（１５）は、前記排気再循環冷却器（３７，３８）の下流に位置する、請求項２に記載の内燃機関システム（２）。
5. 前記第２のタービン（１５）は、前記内燃機関（１０）へのエネルギを回収するように配置される、請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関システム（２）。
6. 前記第２のタービン（１５）は、前記内燃機関（１０）へ回収されたエネルギを機械エネルギに変換するように配置される、請求項５に記載の内燃機関システム（２）。
7. 前記第２のタービン（１５）は、前記内燃機関（１０）へ回収されたエネルギを電気エネルギに変換するように配置される、請求項５に記載の内燃機関システム（２）。
8. 前記第２のタービン（１５）は、ギアトレイン（５４）を介して前記内燃機関に動作可能に接続される、請求項１乃至７のいずれかに記載の内燃機関システム（２）。
9. 前記ギアトレイン（５４）は、捩れ緩衝装置に動作可能に接続される、請求項８に記載の内燃機関システム（２）。
10. 第２の圧縮機（２９）と相互作用する第３のタービン（３０）を更に備え、前記第３のタービン（３０）及び前記第２の圧縮機（２９）は、前記第１のタービン（１３）及び前記第１の圧縮機（１２）よりも低い圧力で作動するように配置される、請求項１乃至９のいずれかに記載の内燃機関システム（２）。
11. 前記排気ガスから機械エネルギを回収するためにギアトレイン（５４）を有するターボコンパウンド・タービンを更に備え、前記第２のタービン（１５）は、前記ターボコンパウンド・タービンのギアトレイン（５４）に動作可能に接続される、請求項１乃至９のいずれかに記載の内燃機関システム（２）。
12. 前記第２のタービン（１５）は、前記ターボコンパウンド・タービンと共通のギアトレイン（５４）に接続される、請求項１１に記載の内燃機関システム（２）。
13. 前記ブリード空気経路（１８）におけるブリード空気、並びに、前記排気システム（２４）における前記排気ガスは、前記排気再循環冷却器（３７，３８）において互いに独立して維持される、請求項４に記載の内燃機関システム（２）。
14. 前記ブリード空気経路（１８）は、前記排気システム（２４）に接続される排気後処理システム（３１）の下流において前記排気システム（２４）に合流する、請求項１乃至１３のいずれかに記載の内燃機関システム（２）。
15. 前記ブリード空気経路（１８）における前記ブリード空気、並びに、前記排気システム（２４）における前記排気ガスは、前記排気システム（２４）に接続される前記排気後処理システム（３１）の下流において前記ブリード空気が前記排気システム（２４）に流出するまで、互いに独立して維持される、請求項１４に記載の内燃機関システム（２）。
16. 前記排気システム（２４）に位置する廃熱回収熱交換器（５１）と、前記排気ガスからエネルギを回収するために廃熱回収タービン（５０）を有する廃熱回収回路と、を更に備える、請求項１５に記載の内燃機関システム（２）。
17. 前記廃熱回収熱交換器（５１）は、前記排気システム（２４）に接続される前記排気後処理システム（３１）の下流に位置する、請求項１６に記載の内燃機関システム（２）。
18. 前記廃熱回収タービン（５０）は、前記排気ガスから回収されたエネルギを機械エネルギに変換するように配置される、請求項１６又は１７に記載の内燃機関システム（２）。
19. 前記廃熱回収タービン（５０）は、前記排気ガスから回収されたエネルギを電気エネルギに変換するように配置される、請求項１６又は１７に記載の内燃機関システム（２）。
20. 前記廃熱回収タービン（５０）は、ギアトレイン（５４）を介して前記内燃機関（１０）に動作可能に接続される、請求項１８に記載の内燃機関システム（２）。
21. 前記廃熱回収タービン（５０）は、前記第２のタービン（１５）と同一の前記ギアトレイン（５４）に動作可能に接続される、請求項１８に記載の内燃機関システム（２）。
22. 前記調節弁（３９）を制御するように配置されるエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）を更に備える、請求項３に記載の内燃機関システム（２）。
23. 前記エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）は、前記内燃機関（１０）における必要空気量に基づいて前記調節弁（３９）を制御するように配置される、請求項２２に記載の内燃機関システム（２）。
24. 前記エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）は、大気圧に基づいて前記調節弁（３９）を制御するように配置される、請求項２３に記載の内燃機関システム（２）。
25. 請求項１乃至２４のいずれかに記載の内燃機関システム（２）を備える、車両。
26. 前記内燃機関（１０）は、ディーゼルエンジンである、請求項２５に記載の車両。

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