JP5448873B2 - エンジン排気エネルギー回収装置、これを備える船舶、これを備える発電プラント、エンジン排気エネルギー回収装置の制御装置およびエンジン排気エネルギー回収装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンから排出される排気ガスの排気エネルギーを動力として回収するエンジン排気エネルギー回収装置、これを備える船舶、これを備える発電プラント、エンジン排気エネルギー回収装置の制御装置およびエンジン排気エネルギー回収装置の制御方法に関する。

エンジンから排出される排気ガスに含まれる排気エネルギーを動力として回収する排気エネルギー回収装置としては、過給機およびパワータービンが知られている（例えば特許文献１）。

特開昭６３−１８６９１６号公報

しかし、特許文献１に記載の発明は、エンジンの高負荷運転時にパワータービンの出力を減少させた場合には、パワータービンを駆動させるために利用されていた排気ガスが過給機の排気タービンに供給される。そのため、過給機の排気タービンの駆動力および回転数が上昇し、排気タービンによって駆動される圧縮機の回転数が上昇する。その結果、過給機からエンジンに供給される圧縮空気の圧力、すなわち掃気圧力が許容圧力を超えてしまう。一方、エンジンには、エンジンの運転を安全に行うために掃気圧力が許容圧力以上にならないように制限が課せられている。そのため、高圧の掃気をエンジンに供給しても熱効率の改善にはつながらないという問題があった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、エンジンの様々な負荷や回転数に対してエンジンの燃料消費率を所定値以下にすることが可能とされ、エンジンから排出される排気ガスの有効利用が可能とされるエンジン排気エネルギー回収装置、これを備える船舶、これを備える発電プラント、エンジン排気エネルギー回収装置の制御装置およびエンジン排気エネルギー回収装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るエンジン排気エネルギー回収装置、これを備える船舶およびこれを備える発電プラント、ならびにエンジン排気エネルギー回収装置の制御装置およびこの制御方法は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るエンジン排気エネルギー回収装置によれば、エンジンから排出される排気ガスによって駆動されるタービン部と、該タービン部が駆動されることによって外気をエンジンに圧送するコンプレッサ部と、前記タービン部が駆動されることによって発電する一方で供給された電力によって前記タービン部を駆動する発電・電動機部と、を有するハイブリッド過給機と、該ハイブリッド過給機に供給される排気ガスを迂回させるバイパス流路と、該バイパス流路に設けられて、前記ハイブリッド過給機へ導かれる排気ガスの流量を制御する排気ガスバイパス制御弁と、前記エンジンの負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、前記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、前記エンジンの掃気圧力を検出する掃気圧力検出手段と、前記エンジン負荷検出手段および前記エンジン回転数検出手段によって検出される負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標掃気圧力を算出するデータベースを有する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記目標掃気圧力になるように前記排気ガスバイパス制御弁を制御することを特徴とする。

ハイブリッド過給機に導かれる排気ガスを迂回するバイパス流路には、排気ガスバイパス制御弁が設けられている。この排気ガスバイパス制御弁の開度を絞った場合には、ハイブリッド過給機に導かれる排気ガスの流量が増加する。そのため、ハイブリッド過給機のタービン部に導かれる排気ガスの流量が増加する。タービン部に導かれる排気ガスの流量が増加するので、タービン部の回転駆動力が増加する。タービン部の回転駆動力が増加すると、コンプレッサ部の回転数が上昇し、圧縮される空気の圧力が上昇する。このようにコンプレッサ部によって圧縮された空気である掃気は、エンジンに導かれる。エンジンの掃気圧力は、ハイブリッド過給機のコンプレッサ部からエンジンに供給される掃気の圧力によって決定される。また、エンジンの燃料消費率は、掃気圧力、排気弁閉タイミング、シリンダ内圧力、エンジン回転数、エンジン負荷、燃料噴射タイミング等に影響される。

そこで、本発明では、制御装置によって排気ガスバイパス制御弁を制御することとした。これにより、ハイブリッド過給機に導かれる排気ガスの流量を制御することができる。また、制御装置は、エンジン負荷検出手段によって検出される負荷と、エンジン回転数検出手段によって検出される回転数とから、データベースを用いて目標掃気圧力を算出することとした。これらにより、ハイブリッド過給機のコンプレッサ部からエンジンに導かれる掃気の圧力、すなわち、掃気圧力を目標掃気圧力に制御することができる。したがって、排気ガスバイパス制御弁を制御してエンジンの燃料消費率を所定値以下に抑えることができ、エンジンの運転コストを低減することができる。

また、エンジンの燃料消費率は、燃料の燃焼状態に影響される。燃料の燃焼状態は、エンジンの回転数、掃気圧力、燃料の性状、燃料の着火時期、燃料の噴射状態等によって変化する。本発明では、排気ガスバイパス制御弁を制御して掃気圧力を制御することとした。そのため、エンジンにおける燃料の燃焼状態を改善することができる。

また、排気ガスによって発電するハイブリッド過給機を設けることとした。そのため、エンジン運転開始時には、発電・電動機部に供給される電力によってハイブリッド過給機を駆動して空気をエンジンに供給することができる。
また、エンジン運転中には、排気ガスバイパス制御弁を制御することによってハイブリッド過給機に導かれる排気ガスの流量を変えることができる。したがって、排気ガスバイパス制御弁を制御することによって必要な電力量に応じてハイブリッド過給機における発電量を制御することができる。

本発明に係るエンジン排気エネルギー回収装置によれば、前記ハイブリッド過給機から導出される排気ガスと、前記バイパス流路から導出される排気ガスとが導かれて熱交換する熱交換器を備えることを特徴とする。

ハイブリッド過給機には、排気ガスバイパス制御弁によって流量が制御された排気ガスが導かれる。また、バイパス流路およびハイブリッド過給機を通過した排気ガスを熱交換器へと導くこととした。そのため、ハイブリッド過給機における発電量を減少させるように排気ガスバイパス制御弁を開状態にした場合には、バイパス流路から導かれた温度の高い排気ガスが多量に熱交換器に供給されることになる。したがって、排気ガスバイパス制御弁を制御することによって、ハイブリッド過給機における発電量を制御しつつ、排気ガスの熱エネルギーを有効に回収することができる。

本発明に係るエンジン排気エネルギー回収装置によれば、前記制御装置は、前記エンジン負荷検出手段および前記エンジン回転数検出手段によって検出される負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標燃料噴射タイミングを算出するマップまたは演算式を備え、前記マップまたは前記演算式を用いて前記燃料噴射タイミングを制御することを特徴とする。

制御装置は、負荷および回転数からマップまたは演算式を用いて、目標燃料噴射タイミングを算出して、燃料噴射タイミングを制御することとした。そのため、掃気圧力を制御すると共に、シリンダ内の燃料の燃焼状態を改善して熱効率を向上させることができる。したがって、排気ガスバイパス制御弁および燃料噴射タイミングを制御することによって、エンジンの燃料消費率を更に所定値以下に近づけることができる。

本発明に係るエンジン排気エネルギー回収装置によれば、前記制御装置は、前記エンジン負荷検出手段および前記エンジン回転数検出手段によって検出される負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標排気弁閉タイミングを算出するマップまたは演算式を備え、前記マップまたは前記演算式を用いて前記排気弁閉タイミングを制御することを特徴とする。

シリンダ内圧力は、掃気圧力と排気弁閉タイミングとによって決まる。そこで、本発明の制御装置は、負荷および回転数からマップまたは演算式を用いて、目標排気弁閉タイミングを算出して排気弁閉タイミングを制御することとした。そのため、シリンダ内圧力を制御することができ、シリンダ内の燃料の燃焼状態を改善して熱効率を向上させることができる。したがって、排気ガスバイパス制御弁と排気弁閉タイミングとを制御することによって、エンジンの燃料消費率を更に所定値以下に近づけることができる。

また、排気弁閉タイミングを遅らせた場合には、ピストン上昇時の圧縮仕事が低減される。そのため、圧縮上死点におけるシリンダ内の燃焼ガスの温度が低下する。したがって、排気弁閉タイミングを制御することによって、ＮＯｘの生成を抑制することができ、環境負荷の低減が可能となる。

本発明に係るエンジン排気エネルギー回収装置によれば、前記エンジンは、燃料ポンプを駆動する作動油が蓄えられる作動油蓄圧器またはコモンレール式燃料噴射弁に供給される燃料油が蓄えられる燃料蓄圧器を備え、前記制御装置には、前記エンジン負荷検出手段および前記エンジン回転数検出手段によって検出される負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標作動油蓄圧圧力または目標燃料蓄圧圧力を算出するマップまたは演算式を備え、前記マップまたは前記演算式を用いて前記作動油蓄圧圧力または前記燃料蓄圧圧力を制御することを特徴とする。

燃料ポンプを駆動する作動油蓄圧圧力またはコモンレール式燃料噴射弁内に供給される燃料蓄圧圧力は、燃料噴射タイミングや燃料噴射圧に影響する。そこで、本発明の制御装置は、負荷および回転数からマップまたは演算式を用いて目標作動油蓄圧圧力または目標燃料蓄圧圧力を算出することとした。また、制御装置は、作動油蓄圧圧力または燃料蓄圧圧力を制御することとした。これにより、作動油蓄圧圧力または燃料蓄圧圧力を制御することによって燃料噴射タイミングや燃料噴射圧を制御することができる。そのため、排気ガスバイパス制御弁の制御とともにシリンダ内の燃料の燃焼状態を改善して熱効率を向上させることができる。したがって、エンジンの燃料消費率を更に所定値以下に近づけることができる。

本発明に係るエンジン排気エネルギー回収装置によれば、前記制御装置は、前記排気ガスバイパス制御弁の開度を検出する排気ガスバイパス制御弁開度検出手段からの信号に基づいて、前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる前記排気ガスバイパス制御弁の目標開度を算出し、前記排気ガスバイパス制御弁を前記目標開度になるようにフィードバック制御することを特徴とする。

排気ガスバイパス制御弁開度検出手段によって排気ガスバイパス制御弁の開度を逐次検出して、フィードバック制御することとした。そのため、経年劣化などによって排気ガスバイパス制御弁開度検出手段が検出する実開度と目標開度との間に生じるずれを補正することができる。したがって、エンジンの燃料消費率を所定値以下に維持することが可能となる。

本発明に係るエンジンの排気エネルギー回収装置によれば、前記制御装置は、シリンダ内圧力検出手段によって検出されるシリンダ内圧力からシリンダ内圧縮圧力Ｐcompおよびシリンダ内最高圧力Ｐmaxを算出し、検出される負荷および回転数に対して前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOおよび目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOをマップまたは演算式から算出し、前記シリンダ内最高圧力Ｐmaxが前記目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOになるようにし、かつ、前記シリンダ内圧縮圧力Ｐcompが前記目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOになるように前記燃料噴射タイミングおよび前記排気弁閉タイミングを制御することを特徴とする。

エンジンの燃料消費率を所定値以下にする条件の一つには、燃料の燃焼状況が影響する。燃料の燃焼状況は、エンジンの回転数、掃気圧力、燃料性状（セタン価、粘度、不純物の混合等）等により燃料の着火時期や燃料の微細化状況等が変わる。燃料の燃焼状況は、検知されるシリンダ内圧力から求められるシリンダ内圧縮圧力Ｐcompおよびシリンダ内最高圧力Ｐmaxから知ることができる。
そこで、本発明の制御装置は、シリンダ内圧力検出手段によって検出されるシリンダ内圧力を用いて目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOおよび目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOをマップまたは演算式から求めることとした。また、制御装置は、排気ガスバイパス制御弁、燃料噴射タイミングおよび排気弁閉タイミングを制御することとした。そのため、排気ガスバイパス制御弁、燃料噴射タイミングおよび排気弁閉タイミングを制御することによってシリンダ内圧縮圧力Ｐcompおよびシリンダ内最高圧力Ｐmaxを目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOおよび目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOにすることができ、かつ、シリンダ内の燃料の燃焼状態を改善して熱効率を向上させることができる。したがって、燃料の性状が変化してもエンジンの燃料消費率を所定値以下にすることができる。

本発明に係るエンジンの排気エネルギー回収装置によれば、エンジンから排出される排気ガスによって駆動されるタービン部と、該タービン部が駆動されることによって外気を前記エンジンに圧送するコンプレッサ部と、前記タービン部が駆動されることによって発電する一方で供給された電力によって前記タービン部を駆動する発電・電動機と、を有するハイブリッド過給機と、該ハイブリッド過給機に供給される排気ガスを迂回させるバイパス流路と、該バイパス流路に設けられて、該ハイブリッド過給機に導かれる排気ガスの流量を制御する排気ガスバイパス制御弁と、前記エンジンの負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、前記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、前記エンジンの掃気圧力を検出する掃気圧力検出手段と、前記エンジンのシリンダ内圧力を検出するシリンダ内圧力検出手段と、前記エンジン負荷検出手段および前記エンジン回転数検出手段から検出された負荷と回転数とから前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOおよび目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOを算出するデータベースを有する制御装置と、を備え、該制御装置は、前記目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOになるように前記排気弁閉タイミング制御を制御し、前記目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOになるように前記燃料噴射タイミングを制御することを特徴とする。

経年劣化などにより排気ガスバイパス制御弁の目標開度と実開度との間にずれが生じてエンジンの掃気圧力が低下することがある。また、エンジンの排気弁シート部が摩耗した場合には、シリンダ内圧縮圧力Ｐcompが低下するためエンジンの性能が低下する。そこで、本発明では、負荷および回転数から目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOと目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOとを算出することとした。また、シリンダ内圧力を検出して排気弁閉タイミング制御と燃料噴射タイミングとを制御することとした。そのため、排気弁閉タイミングと燃料噴射タイミングを制御してシリンダ内圧縮圧力Ｐcompおよびシリンダ内最高圧力Ｐmaxを目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOおよび目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOにすることができ、かつ、シリンダ内の燃料の燃焼状態を改善して熱効率を向上させることができる。したがって、燃料の性状が変化してもエンジンの燃料消費率を所定値以下にすることができる。

また、シリンダ内圧力を検出して排気弁閉タイミングを制御することとした。そのため、排気ガスバイパス制御弁が全閉状態の場合であっても、排気弁閉タイミングを制御して目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOに制御することができる。したがって、排気ガスバイパス制御弁が制御不具合等になった場合であっても、エンジンの燃料消費率を所定値以下にすることができる。

本発明に係る船舶によれば、上記のいずれかに記載のエンジン排気エネルギー回収装置を備えることを特徴とする。

船舶に搭載されるエンジン排気エネルギー回収装置は、エンジンの運転コストを抑えることができる。そのため、船舶の運航コストの削減を図ることができる。また、環境に考慮した船舶にすることができる。

本発明に係る発電プラントによれば、上記のいずれかに記載のンジン排気エネルギー回収装置を備えることを特徴とする。

発電プラントに設けられるンジン排気エネルギー回収装置は、エンジンの運転コストを抑えることができる。そのため、発電プラントの運用コストの削減を図ることができる。また、環境に考慮した発電プラントにすることができる。

本発明に係る排気エネルギー回収装置によれば、制御装置によって排気ガスバイパス制御弁を制御することとした。これにより、ハイブリッド過給機に導かれる排気ガスの流量を制御することができる。また、制御装置は、エンジン負荷検出手段によって検出される負荷と、エンジン回転数検出手段によって検出される回転数とから、データベースを用いて目標掃気圧力を算出することとした。これらにより、ハイブリッド過給機のコンプレッサ部からエンジンに導かれる掃気の圧力、すなわち、掃気圧力を目標掃気圧力に制御することができる。したがって、排気ガスバイパス制御弁を制御してエンジンの燃料消費率を所定値以下に抑えることができ、エンジンの運転コストを低減することができる。

また、エンジンの燃料消費率は、燃料の燃焼状態に影響される。燃料の燃焼状態は、回転数、掃気圧力、燃料の性状、燃料の着火時期、燃料の噴射状態等によって変化する。本発明では、排気ガスバイパス制御弁を制御して掃気圧力を制御することとした。そのため、エンジンにおける燃料の燃焼状態を改善することができる。したがって、排気ガスバイパス制御弁を制御することによってエンジンの燃料消費率が改善される。

また、排気ガスによって発電するハイブリッド過給機を設けることとした。そのため、エンジン運転開始時には、発電・電動機部に供給される電力によってハイブリッド過給機を駆動して空気をエンジンに供給することができる。
また、エンジン運転中には、排気ガスバイパス制御弁を制御することによってハイブリッド過給機に導かれる排気ガスの流量を変えることができる。したがって、排気ガスバイパス制御弁を制御することによって必要な電力量に応じてハイブリッド過給機における発電量を制御することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジン排気エネルギー回収装置を具備した船舶の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの燃料消費率を所定値以下にするために用いられるデータベースである。 本発明の第１実施形態に係る制御構成図である。 本発明の第１実施形態に係る制御フローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る制御構成図である。 本発明の第２実施形態に係る制御フローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る制御構成図である。 本発明の第３実施形態に係る制御フローチャートである。 本発明の第４実施形態に係る制御フローチャートである。

以下、本発明に係るエンジン排気エネルギー回収装置を備えた船舶の実施形態について説明する。
但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１には、本発明のエンジン排気エネルギー回収装置を具備した船舶の概略構成図が示されている。
船舶（図示せず）の機関室（図示せず）内には、エンジン排気エネルギー回収装置１と、推進用ディーゼル機関（エンジン）２が設けられている。
エンジン排気エネルギー回収装置１は、ハイブリッド過給機３と、排気ガスエコノマイザ（熱交換器）９と、空気冷却器１８とを有している。

推進用ディーゼル機関（以下「エンジン」という。）２は、ディーゼル機関本体（以下「エンジン本体」という。）４と、排気ガスが蓄積される排気マニホールド７と、掃気が蓄積される給気マニホールド８とを備えている。推進用ディーゼル機関２は、低速大型の舶用２サイクルディーゼル機関である。

エンジン２は、エンジン本体４内に設けられているシリンダ６と、シリンダ６内に燃料を噴射する燃料噴射装置（図示せず）と、シリンダ６内で燃料が燃焼することによって発生する燃焼ガス（以下「排気ガス」という。）をシリンダ６内から排気する排気弁（図示せず）とを備えている。
なお、本実施形態では、エンジン２は、シリンダ６の数が６本配置された６気筒ディーゼル機関として説明するが、これに限定されるものではない。また、推進用ディーゼル機関ではなく、発電用ディーゼル機関としても良い。

ハイブリッド過給機３は、エンジン本体４に設けられている排気マニホールド７から排出された排気ガスによって駆動されるタービン部３ａと、タービン部３ａとタービン軸３ｃ上に結合して回転駆動され外気を圧縮してエンジン本体４に掃気を供給するコンプレッサ部３ｂと、タービン軸３ｃが回転駆動することによって発電する発電・電動機３ｄとを備えている。
なお、本実施形態では、コンプレッサ部３ｂによって圧縮されてエンジン本体４に供給される圧縮空気を掃気と称しているが、給気と称しても同じ意味である。

発電・電動機３ｄは、タービン軸３ｃが回転駆動することによって発電する。発電・電動機３ｄによって発生した電力は、コンバータ１１を介して直流に変換された後、インバータ１２によって交流に変換される。インバータ１２によって交流にされた電力は、制御用抵抗器１３を介して機関室内に設置されている配電盤１４に電気的に接続される。配電盤１４に電気的に接続されることによって、発電・電動機３ｄが発電した電力は、船内電源として利用される。

また、発電・電動機３ｄは、電力が供給されることによって電動機として駆動する。発電・電動機３ｄは、電動機として駆動することによってタービン軸３ｃを回転駆動する。タービン軸３ｃが回転駆動するため、タービン軸３ｃ上に設けられているコンプレッサ部３ｂも回転駆動する。これにより、コンプレッサ部３ｂが外気を圧縮してエンジン本体４に掃気を供給することができる。

排ガスエコノマイザ９は、後述する排気管Ｌ３から導かれた排気ガスの熱と、後述する給水管Ｌ５から供給された水とが熱交換するものである。排ガスエコノマイザ９は、供給された水を排ガスエコノマイザ９内に設けられている水管内（図示省略）に通水して排気ガスの熱によって蒸気に熱変換する。

空気冷却器１８は、ハイブリッド過給機３のコンプレッサ部３ｂによって圧縮された掃気を冷却して空気密度を上げるためのものである。空気冷却器１８によって冷却された掃気は、後述する給気管Ｋ２によってエンジン本体４に供給される。

排気管Ｌ１は、エンジン２の排気マニホールド７と、ハイブリッド過給機３のタービン部３ａとを連結している。
バイパス管（バイパス流路）Ｌ２は、排気管Ｌ１の途中もしくは排気マニホールド７に直接接続されており、排気管Ｌ１もしくは排気マニホールド７と後述する排気管Ｌ３とを連結している。バイパス管Ｌ２は、排気マニホールド７から排出された排気ガスをハイブリッド過給機３から迂回させる。

排気管Ｌ３は、ハイブリッド過給機３のタービン部３ａと、排ガスエコノマイザ９とを連結している。排気管Ｌ３は、タービン部３ａから排出される排気ガスを排ガスエコノマイザ９に送通する。
排気管Ｌ４は、排ガスエコノマイザ９と煙突（図示省略）との間を連結している。排気管Ｌ４により、排ガスエコノマイザ９において熱交換した後の排気ガスを船外に放出することができる。

給気管Ｋ１は、ハイブリッド過給機３のコンプレッサ部３ｂと、空気冷却器１８とを連結している。
給気管Ｋ２は、空気冷却器１８と、エンジン２の給気マニホールド８とを連結している。給気管Ｋ２は、空気冷却器１８によって冷却された掃気をエンジン本体４の給気マニホールド８へ送通する。

給水管Ｌ５は、船内の図示しない主給水管から水を排ガスエコノマイザ９へ供給する。
尚、排ガスエコノマイザ９において排気ガスと熱交換されて発生した蒸気は、船内に設けられている図示しない雑用蒸気管へと導かれる。

排気ガスバイパス制御弁Ｖ１は、バイパス管Ｌ２の途中に介装されている。排気ガスバイパス制御弁Ｖ１は、ハイブリッド過給機３へ導かれる排気ガスの流量を制御する。すなわち、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１が全閉状態の場合には、排気管Ｌ１から導かれる排気ガスの全流量は、ハイブリッド過給機３へと供給される。排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度が増加するにつれて、排気管Ｌ１もしくは排気マニホールド７からバイパス管Ｌ２へと導かれる排気ガスの流量が増加する。そのため、ハイブリッド過給機３へと導かれる排気ガスの流量が制御されることになる。その排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度は、制御装置（図示省略）により制御される。

オリフィス１９は、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の下流側のバイパス管Ｌ２上に介装されている。オリフィス１９は、エンジン本体４が高負荷運転時であって、かつ、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１が全開状態の場合に、バイパス管Ｌ２に排気ガスが多量に導かれるのを防止して、ハイブリッド過給機３に排気ガスが供給されるようにする。
なお、本実施形態では、オリフィス１９を設けることとして説明したが、オリフィス１９を設けなくても良い。

次に、エンジン本体４から排出される排気ガスの流れについて説明する。
エンジン本体４に設けられているシリンダ６内に供給された燃料が燃焼することによって、排気ガスが発生する。シリンダ内６に発生した排気ガスは、排気弁が開状態の際にエンジン本体４から排出される。エンジン本体４から排出された排気ガスは、排気マニホールド７に溜められる。排気マニホールド７に溜められた排気ガスは、排気管Ｌ１へと導出される。排気管Ｌ１に導出された排気ガスは、ハイブリッド過給機３へと導かれる。

ハイブリッド過給機３に導かれた排気ガスによって、タービン部３ａが回転駆動される。タービン部３ａが回転駆動されるため、タービン軸３ｃが回転駆動される。タービン軸３ｃが回転駆動されることによって、コンプレッサ部３ｂは外気を圧縮し、発電・電動機３ｄが発電する。ハイブリッド過給機３においてタービン部３ａを回転駆動させた排気ガスは、排気管Ｌ３へと導出される。

また、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度が開状態の場合には、排気管Ｌ１に導かれた排気ガスの一部もしくは排気マニホールド７の中の排気ガスの一部がバイパス管Ｌ２へと導かれる。バイパス管Ｌ２に導かれた排気ガスは、ハイブリッド過給機３の下流側に接続されている排気管Ｌ３に合流される。

ハイブリッド過給機３から導出された排気ガスと、バイパス管Ｌ２から導かれた排気ガスとは、排気管Ｌ３を経て排ガスエコノマイザ９へと導かれる。排ガスエコノマイザ９に導かれた排気ガスは、排ガスエコノマイザ９内部へと導出される。排ガスエコノマイザ９の内部に供給された排気ガスは、排ガスエコノマイザ９内に設けられている水管内を通過する水と熱交換される。排ガスエコノマイザ９において熱交換された排気ガスは、排気管Ｌ４を介して煙突から外部へと放出される。

次に、エンジン本体４に供給される掃気の流れについて説明する。
排気ガスによって回転駆動されたハイブリッド過給機３のコンプレッサ部３ｂが圧縮した掃気は、給気管Ｋ１へと導出される。給気管Ｋ１に導出された掃気は、空気冷却器１８へと導かれる。空気冷却器１８に導かれた掃気は、冷却されて密度が高められて給気管Ｋ２へと導かれる。給気管Ｋ２に導かれた掃気は、給気マニホールド８へと供給される。給気マニホールド８内の掃気は、エンジン本体４内のシリンダ６内へと導かれる。

次に、エンジン本体４の燃料消費率を所定値以下に決めるためのマップについて、図２を参照して説明する。
図２のマップは、あるエンジン本体４の回転数および負荷に対する燃料消費率と、燃料噴射タイミングと、シリンダ内圧縮圧力Ｐcompと、シリンダ内最高圧力Ｐmaxとの関係を示している。制御装置内のデータベースは、エンジン本体４の回転数、負荷のそれぞれに対して同様の関係のマップを複数持つこととなる。
図２の横軸には、シリンダ内圧縮圧力Ｐcompを示し、図２の右方向が大となる。縦軸には、燃料噴射タイミングを示し、上方が遅角になる方向、下方が進角になる方向を示している。

シリンダ内圧縮圧力Ｐcompは、掃気圧力が高い場合に大になる関係が知られている。また、シリンダ内圧縮圧力Ｐcompは、エンジン本体４に設けられている排気弁の排気弁閉タイミングを早閉じすることによって大になる関係であることも知られている。そのため、図２の横軸は、シリンダ内圧縮圧力Ｐcompに代えて掃気圧力や排気弁閉タイミングとして、制御因子を代えても同様の関係を得ることができる。

図中の間隔を有した複数の曲線は、エンジン本体４の燃料消費率を示す等高線である。燃料消費率は、エンジン本体４の回転数、負荷によって曲線の位置および曲線の形状が異なっている。図中の等高線は、曲線の右下（曲線の中心方向）方向に移るに従い燃料消費率が良いことを示している。
図中の太い直線は、シリンダ内最高圧力Ｐmax上限値を示している。シリンダ内最高圧力Ｐmax上限値の右側エリアは、エンジン本体４の許容圧力を超えるため使用できない範囲となっている。

燃料消費率の所定値Ｐは、図中の太い直線で示したシリンダ内最高圧力Ｐmax上限値よりも左側エリアで且つ、燃料消費率の等高線（図中の曲線）のシリンダ内最高圧力Ｐmax上限値を示す太い直線に近接した部分となる。
エンジン本体４の燃料消費率は、掃気圧力、または、排気弁閉タイミング、または、燃料噴射タイミングを制御してこの所定値Ｐ以下になるようにする。

エンジン本体４の負荷が低くなるにつれて、掃気圧力が低下する。それに伴いシリンダ内圧縮圧力Ｐcompが低下する。そのため、燃料噴射タイミングを進角することができるようになる。このため、エンジン本体４の負荷が低いほど燃料消費率の所定値Ｐは、図２のマップにおいて太い直線のシリンダ内最高圧力Ｐmax上限値に沿って左下方向に移動する。
その際、燃料消費率の等高線の曲線の中心も太い直線のシリンダ内最高圧力Ｐmax上限値に沿って左下方向に移動する。
なお、本実施形態では、データベースにマップを備えるものとして説明したが、マップの代わりに演算式を用いても良い。

[第１実施形態]
本発明による燃料消費率を所定値以下にする制御方法の第１実施形態を図３および図４に基づいて説明する。図３は、本実施形態に係る制御構成図であり、図４は、本実施形態に係る制御フローチャートである。
図３において、エンジン負荷検出手段２０によって検知されたエンジン本体４（図１参照）の負荷信号と、エンジン回転数検出手段２１によって検知されたエンジン本体４の回転数信号と、掃気圧力検出手段２２によって検知された掃気圧力信号とが、コントローラ（制御装置）２３に入力される。入力された各信号によって、コントローラ２３は、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１に排気ガスバイパス制御弁制御指令信号Ａを出力する。

図４のとおり、ステップＳ１において、コントローラ２３には、夫々の検出手段２０，２１，２２によって検出されたエンジン負荷Ｌ、エンジン回転数Ｎｅおよび掃気圧力Ｐsの信号が入力される。
ステップＳ２において、検出されたエンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎｅをコントローラ２３内に用意されているデータベースに照合する。図２において横軸に掃気圧力を示したマップに基づいて、コントローラ２３は、最適掃気圧力ＰsO（以下「目標最適圧力」という。）を算出する。

ステップＳ３において、掃気圧力検出手段２２によって検出された掃気圧力Ｐsと、ステップＳ２において算出された目標掃気圧力ＰsOとの差ΔＰsを求める。コントローラ２３は、この差ΔＰsに基づいて排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度変更量ΔＡを決定する。

ステップＳ４において、ステップＳ３において決定された排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度変更量ΔＡと、現状の排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度指令値Ａ’とから排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の新しい排気ガスバイパス制御弁制御指令信号Ａを決定する。
ステップＳ５において、コントローラ２３は、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１へ新しい排気ガスバイパス制御弁制御指令信号Ａによって制御するように指令を出力する。

その後、ステップＳ５からステップＳ１に戻って繰返す。
この動作を繰返すことにより掃気圧力検出手段２２によって検出された掃気圧力Ｐsが目標掃気圧力ＰsOからずれている場合には、掃気圧力Ｐsを修正することとなる。これにより、エンジン本体４の燃料消費率が所定値Ｐ以下となるようにすることができる。

以上説明したように、本実施形態にかかるエンジン排気エネルギー回収装置およびこれを備えた船舶によれば、以下の作用効果を奏する。
コントローラ（制御装置）２３によって排気ガスバイパス制御弁Ｖ１を制御することとした。これにより、ハイブリッド過給機３に導かれる排気ガスの流量を制御することができる。また、コントローラ２３は、エンジン負荷検出手段２０によって検出されたエンジン負荷Ｌと、エンジン回転数検出手段２１によって検出されたエンジン回転数Ｎｅとから、コントローラ２３内に設けられているデータベースのマップを用いて目標掃気圧力ＰsOを算出することとした。これらにより、ハイブリッド過給機３のコンプレッサ部３ｂからエンジン本体４に導かれる掃気の圧力、すなわち、掃気圧力Ｐsを目標掃気圧力ＰsOに制御することができる。したがって、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１を制御してエンジン本体４の燃料消費率を所定値Ｐ以下に抑えることができ、エンジン２の運転コストを低減することができる。

また、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１を制御して掃気圧力Ｐsを制御することとした。そのため、エンジン本体４における燃料の燃焼状態を改善することができる。したがって、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１を制御することによってエンジン本体４の燃料消費率が改善される。

また、排気ガスによって発電するハイブリッド過給機３を設けることとした。そのため、エンジン２エンジン２運転開始時には、発電・電動機部３ｄに供給された電力によってハイブリッド過給機３を駆動して空気をエンジン本体４に供給することができる。
また、エンジン２運転中には、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１を制御することによってハイブリッド過給機３に導かれる排気ガスの流量を変えることができる。したがって、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１を制御することによって必要な電力量に応じてハイブリッド過給機３における発電量を制御することができる。

ハイブリッド過給機３には、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１によって流量が制御された排気ガスが導かれる。また、バイパス管（バイパス流路）Ｌ２およびハイブリッド過給機３を通過した排気ガスを排ガスエコノマイザ（熱交換器）９へと導くこととした。そのため、ハイブリッド過給機３における発電量を減少させるように排気ガスバイパス制御弁Ｖ１を開状態にした場合には、バイパス管Ｌ２から導かれた温度の高い排気ガスが多量に排ガスエコノマイザ９に供給されることになる。したがって、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１を制御することによって、ハイブリッド過給機３における発電量を制御しつつ、排気ガスの熱エネルギーを有効に回収することができる。

船舶に搭載されているエンジン排気エネルギー回収装置１は、エンジン２の運転コストを抑えることができる。そのため、船舶の運航コストの削減を図ることができる。

[第２実施形態]
次に、本発明による燃料消費率を所定値以下にする制御方法の第２実施形態を図５および図６に基づいて説明する。なお、第１、第２実施形態は、シリンダ内圧力を計測せずに、掃気圧力検出手段により検出された掃気圧力に基づく制御をする場合である。また、後述する実施形態３、４は、シリンダ内圧力を測定して制御する場合である。
図５は、本実施形態に係る制御構成図であり、図６は、本実施形態に係る制御フローチャートである。

図５において、第１実施形態と同一構成、排気ガスの流れ、空気の流れ、制御方法については、同一符号を付す。第１実施形態と異なる制御方法は、排気ガスバイパス制御弁開度検出手段２６から排気ガスバイパス制御弁開度信号（以下「開度信号」という。）Ｂがコントローラ２４へと入力される点と、コントローラ２４からエンジンコントローラ２５へ燃料噴射タイミングの信号θinj、排気弁閉タイミングの信号θevc、作動油蓄圧圧力信号または燃料油蓄圧圧力信号が出力される点である。

なお、作動油蓄圧圧力信号とは、燃料噴射装置に接続されている燃料ポンプ（図示せず）を作動させる駆動油の制御を電気信号によって行う電子制御ディーゼル機関（図示せず）において、燃料ポンプを作動させるための駆動油の蓄圧圧力を言う。
また、燃料油蓄圧圧力信号とは、燃料噴射装置に接続されているコモンレール式燃料噴射弁（図示せず）を用いる電子制御ディーゼル機関において、コモンレール内に蓄圧される燃料油の蓄圧圧力を言う。

図６に示すフローチャートのステップＳ１１において、コントローラ（制御装置）２４には、排気ガスバイパス制御弁開度検出手段２６から開度信号Ｂと、夫々の検出手段２０，２１，２２によって検出されたエンジン負荷Ｌ、エンジン回転数Ｎｅおよび掃気圧力Ｐsの信号とが入力される。

ステップＳ１２において、検出されたエンジン負荷Ｌ、エンジン回転数Ｎｅに対する掃気圧力Ｐs、燃料噴射タイミング、排気弁閉タイミング、作動油蓄圧圧力または燃料油蓄圧圧力の各々との関係を示すマップへと照合する。コントローラ２４は、照合したマップから、目標掃気圧力ＰsO、目標燃料噴射タイミングθinj、目標排気弁閉タイミングθevc、目標作動油蓄圧圧力または目標燃料油蓄圧圧力（各パラメータ最適値）を算出する。

ここで、コントローラ２４内に用意されているマップとは、図２に示したようにエンジン負荷Ｌ、エンジン回転数Ｎｅそれぞれに対して、シリンダ内圧縮圧力Ｐcompと燃料噴射タイミングとによって形成される座標内に燃料消費率の等高線およびシリンダ内最高圧力Ｐmax上限値を示して、燃料消費率を所定値Ｐ以下とすることができるものをいう。

また、図２中の横軸は、シリンダ内圧縮圧力Ｐcompに代えて、掃気圧力、排気弁閉タイミング、作動油蓄圧圧力、燃料油蓄圧圧力のいずれかであってもよい。この場合であっても、同様にマップに基づいて、目標掃気圧力ＰsO、目標燃料噴射タイミングθinj、目標排気弁閉タイミングθevc、目標作動油蓄圧圧力または目標燃料油蓄圧圧力を算出することができる。

ステップＳ１３において、掃気圧力検出手段２２によって検出された掃気圧力Ｐsと、ステップＳ１２において算出された目標掃気圧力ＰsOとの差ΔＰsを求める。コントローラ２４は、この差ΔＰsに基づいて排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度変更量ΔＡを決定する。

ステップＳ１４において、ステップＳ１３において決定された排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度変更量ΔＡと、現状の排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度指令値Ａ’とから排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の新しい排気ガスバイパス制御弁制御指令信号Ａを決定する。

ステップＳ１５において、コントローラ２４は、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１へ新しい排気ガスバイパス制御弁制御指令信号Ａを出力する。
ステップＳ１６において、新しく検出された排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度信号Ｂと、新しい排気ガスバイパス制御弁制御指令信号Ａとの誤差を算出する。

開度信号Ｂと、新しい排気ガスバイパス制御弁制御指令信号Ａとの間に誤差がある場合には、ステップＳ１７において、誤差に基づいて補正量を算出して、ステップＳ１４に戻り排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度の補正を繰返す。
開度信号Ｂと、新しい排気ガスバイパス制御弁制御指令信号Ａとが同じになった場合には、ステップＳ１１に戻り、掃気圧力Ｐsが目標掃気圧力ＰsOを維持するように制御が繰返される。

一方、ステップＳ１８において、マップより得られた目標燃料噴射タイミングθinj、目標排気弁閉タイミングθevc、目標作動油蓄圧圧力または目標燃料油蓄圧圧力の各信号をエンジンコントローラ２５へと送信する。これにより、エンジンコントローラ２５は、エンジン本体４（図１参照）の制御を実施する。

以上説明したように、本実施形態にかかるエンジン排気エネルギー回収装置およびこれを備えた船舶によれば、以下の作用効果を奏する。
コントローラ（制御装置）２４は、エンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎｅからマップを用いて、目標燃料噴射タイミングθinjを算出して、燃料噴射タイミングを制御することとした。そのため、掃気圧力Ｐsを目標掃気圧力ＰsOに制御すると共に、シリンダ６内の燃料の燃焼状態を改善して熱効率を向上させることができる。したがって、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１および燃料噴射タイミングを制御することによって、エンジン本体４の燃料消費率を更に所定値Ｐ以下に近づけることができる。

また、コントローラ２４は、エンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎｅからマップを用いて、目標排気弁閉タイミングθevcを算出して排気弁閉タイミングを制御することとした。そのため、シリンダ内圧力を制御することができ、シリンダ６内の燃料の燃焼状態を改善して熱効率を向上させることができる。したがって、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１と排気弁閉タイミングとを制御することによって、エンジン本体４の燃料消費率を更に所定値Ｐ以下に近づけることができる。

また、排気弁閉タイミングを遅らせた場合には、ピストン上昇時の圧縮仕事が低減される。そのため、圧縮上死点におけるシリンダ６内の燃焼ガスの温度が低下する。したがって、排気弁閉タイミングを制御することによって、ＮＯｘの生成を抑制することができ、環境負荷の低減が可能となる。

また、コントローラ２４は、エンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎｅからマップを用いて目標作動油蓄圧圧力または目標燃料蓄圧圧力を算出することとした。また、コントローラ２４は、作動油蓄圧圧力または燃料蓄圧圧力を制御することとした。そのため、作動油蓄圧圧力または燃料蓄圧圧力を制御することによって燃料噴射タイミングや燃料噴射圧を制御して、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の制御とともにシリンダ６内の燃料の燃焼状態を改善して熱効率を向上させることができる。したがって、エンジン本体４の燃料消費率を更に所定値Ｐ以下に近づけることができる。

また、図６のステップＳ１４〜Ｓ１７に示すように、排気ガスバイパス制御弁開度検出手段２６によって排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度を逐次検出して、フィードバック制御することとした。そのため、排気ガスバイパス制御弁開度検出手段２６が検出する開度信号（実開度）Ｂと排気ガスバイパス制御弁制御指令信号（指令開度）Ａとの間に生じる経年劣化などによる誤差（ずれ）を補正することができる。したがって、エンジン本体４の燃料消費率を所定値Ｐ以下に維持することが可能となる。

[第３実施形態]
次に、本発明による燃料消費率を所定値以下にする制御方法の第３実施形態を図７および図８に基づいて説明する。図７は、本実施形態に係る制御構成図であり、図８は、本実施形態に係る制御フローチャートである。
図７および図８において、第２実施形態と同一構成、排気ガスの流れ、空気の流れ、制御方法については、同一符号を付す。第２実施形態と異なる制御方法は、シリンダ内圧力検出手段２７によるシリンダ内圧力信号がコントローラ２８に入力される点である。

図８に示すフローチャートのステップＳ２１において、コントローラ２８には、排気ガスバイパス制御弁開度検出手段２６によって検出された排気ガスバイパス制御弁開度信号Ｂと、夫々の検出手段２０，２１，２２，２７によって検出されたエンジン負荷Ｌ、エンジン回転数Ｎｅ、掃気圧力Ｐsに加え、シリンダ内圧力Ｐcylの信号が入力される。
ステップＳ２２において、検出されたシリンダ内圧力Ｐcylに対するクランク角度履歴より、燃料が着火する前の圧力であるシリンダ内圧縮圧力Ｐcomp、シリンダ内最高圧力Ｐmaxが算出される。

ステップＳ２３において、コントローラ２８は、検出されたエンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎｅをコントローラ２８内に用意されているデータベースに照合する。コントローラ２８は、マップに基づいて目標掃気圧力ＰsO、目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompO、目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOを算出する。

ステップＳ２４において、掃気圧力検出手段２２によって検出された掃気圧力Ｐsと、ステップＳ２３において算出された目標掃気圧力ＰsOとの差ΔＰsを求める。コントローラ２８は、この差ΔＰsに基づいて排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度変更量ΔＡを決定する。

ステップＳ２５において、コントローラ２８は、ステップＳ２４おいて決定された排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度変更量ΔＡと、現状の開度指令値Ａ’とから排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の新たな排気ガスバイパス制御弁制御指令Ａを決定する。

ステップＳ２６において、コントローラ２８は、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１へ新たな排気ガスバイパス制御弁制御指令Ａを出力する。
ステップＳ２７において、検出された排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の排気ガスバイパス制御弁開度信号Ｂと、新たな排気ガスバイパス制御弁制御指令Ａとの誤差を算出する。

ステップＳ２８において、検出された排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の排気ガスバイパス制御弁開度信号Ｂと、新たな排気ガスバイパス制御弁制御指令Ａとの間の誤差の有無を判定する。誤差がある場合には、ステップＳ３０において、誤差に基づいて補正量を算出し、ステップＳ２５に戻り排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度の補正を繰返す。
ステップＳ２８において、検出された排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度信号Ｂが新たな排気ガスバイパス制御弁制御指令Ａと同じになった場合には、ステップＳ２９を経てステップＳ２１に戻り、掃気圧力Ｐsが目標掃気圧力ＰsOになるように制御を繰返す。

一方、ステップＳ３１においては、コントローラ２８は、ステップＳ２２において算出されたシリンダ内圧縮圧力Ｐcompと、ステップＳ２３において算出された目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOとの差ΔＰcompに基づいて排気弁閉タイミングの変更量Δθevcを決定する。
ステップＳ３２では、ステップＳ３１と並行して、ステップＳ２３において算出された目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOと、ステップＳ２２において算出されたシリンダ内最高圧力Ｐmaxとの差ΔＰmaxに基づいて燃料噴射タイミングの変更量Δθinjを決める。

ステップＳ３３において、コントローラ２８は、ステップＳ３１において決定された排気弁閉タイミングの変更量Δθevcに基づいて排気弁閉タイミングθevcを決定する。
ステップＳ３４において、コントローラ２８は、ステップＳ３２において決定された燃料噴射タイミングの変更量Δθinjに基づいて燃料噴射タイミングθinjを決定する。

ステップＳ３５において、コントローラ２８は、エンジンコントローラ２５に対してステップＳ３３において決定された排気弁閉タイミングθevcおよびステップＳ３４において決定された燃料噴射タイミングθinjの指令を出す。
ステップＳ３６において、目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOと検出されたシリンダ内最高圧力Ｐmaxとの誤差、および、目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOと検出されたシリンダ内圧縮圧力Ｐcompとの誤差を算出する。

ステップＳ３７において、目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOと検出したシリンダ内最高圧力Ｐmaxとの間、目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOと検出したシリンダ内圧縮圧力Ｐcompとの間に誤差がある場合には、誤差に基づいて補正量を算出する。コントローラ２８は、算出した補正量をステップＳ３３と、ステップＳ３４とにフィードバックして制御を繰返す。

以上説明したように、本実施形態にかかるエンジン排気エネルギー回収装置およびこれを備えた船舶によれば、以下の作用効果を奏する。
コントローラ（制御装置）２８は、シリンダ内圧力検出手段２７によって検出されたシリンダ内圧力Ｐcylを用いて目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOおよび目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOをマップから求めることとした。また、コントローラ２８は、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１、燃料噴射タイミングおよび排気弁閉タイミングを制御することとした。そのため、排気ガスバイパス制御弁と排気弁閉タイミングと燃料噴射タイミングとを制御することによってシリンダ内圧縮圧力Ｐcompおよびシリンダ内最高圧力Ｐmaxを目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOおよび目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOにすることができ、シリンダ６内の燃料の燃焼状態を改善して熱効率を向上させることができる。したがって、燃料の性状が変化してもエンジン本体４の燃料消費率を所定値Ｐ以下にすることができる

[第４実施形態]
次に、本発明による燃料消費率を所定値以下にする制御方法の第４実施形態を図７および図９に基づいて説明する。図７は、本実施形態の制御構成図であり第３実施形態と同様である。図９は、本実施形態の制御フローチャートを示す。

図９に示すフローチャートのステップＳ４１において、コントローラ２９には、排気ガスバイパス制御弁開度検出手段２６によって検出された排気ガスバイパス制御弁開度信号Ｂと、夫々の検出手段２０，２１，２２，２７によって検出されたエンジン負荷Ｌ、エンジン回転数Ｎｅ、掃気圧力Ｐs、シリンダ内圧力Ｐcylが入力される。
ステップＳ４２において、コントローラ２９は、検出されたシリンダ内圧力Ｐcylのクランク角度履歴より、シリンダ内圧縮圧力Ｐcomp、シリンダ内最高圧力Ｐmaxを算出する。

ステップＳ４３において、検出されたエンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎｅをコントローラ２９内に用意されているデータベースに照合する。コントローラ２９は、データベース内のマップに基づいて目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOおよび目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOを算出する。

ステップＳ４４において、コントローラ２９は、シリンダ内圧縮圧力Ｐcompと目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOとの差ΔＰcompを求める。コントローラ２９は、この差ΔＰcompに基づいて排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度変更量ΔＡを決定する。

ステップＳ４５において、ステップＳ４４において決定された排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度変更量ΔＡと、現状の開度指令値Ａ’とから排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の新しい排気ガスバイパス制御弁制御指令Ａを決定する。
ステップＳ４６において、ステップＳ４５において決定された新しい排気ガスバイパス制御弁制御指令Ａを排気ガスバイパス制御弁Ｖ１に出力する。

ステップＳ４７において、目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOと、検出されたシリンダ内圧縮圧力Ｐcompとの誤差を算出する。
ステップＳ４８では、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度が０であるかを判断する。排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度がＡ≠０、即ち開いている場合には、ステップＳ４９に進む。
ステップＳ４９では、目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOと、検出されたシリンダ内圧縮圧力Ｐcompとの誤差に基づいて排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度補正量が算出される。その後、その結果をステップＳ４５に反映させて排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度制御を実施する。

一方、ステップＳ４８において、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１の開度がＡ＝０、即ち閉じている場合には、ステップＳ５０に進む。
ステップＳ５０では、ステップＳ４７において算出された目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOと、検出されたシリンダ内圧縮圧力Ｐcompとの誤差に基づいて排気弁閉タイミングの補正量Δθevcを算出する。その後、ステップＳ５１に進み、排気弁閉タイミングを決定する。

ステップＳ５２においては、ステップＳ４２において算出されたシリンダ内最高圧力Ｐmaxと、ステップＳ４３において算出された目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOとの差ΔＰmaxが算出される。さらに、ステップＳ５２では、算出された差ΔＰmaxに基づいて燃料噴射タイミングの変更量Δθinjが決定される。
ステップＳ５３において、コントローラ２９は、ステップＳ５２において決定された燃料噴射タイミングの変更量Δθinjに基づいて燃料噴射タイミングを決定する。

ステップＳ５４において、エンジンコントローラ２５へステップＳ５１において決定された排気弁閉タイミングθevcと、ステップＳ５３において決定された燃料噴射タイミングθinjとの各々の制御指令を出す。

ステップＳ５５において、目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOとシリンダ内最高圧力Ｐmaxとの間の誤差と、目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOとシリンダ内最高圧力Ｐmaxとの間の誤差とを算出する。シリンダ内最高圧力Ｐmaxと目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOとの間に誤差がある場合には、ステップＳ５６に進む。

ステップＳ５６では、ステップＳ５５において算出された目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOとシリンダ内最高圧力Ｐmaxとの間の誤差に基づいて、燃料噴射タイミングの補正量を算出する。
その後、ステップＳ５３に進みステップＳ５６において算出された燃料噴射タイミングの補正量に基づいた新たな燃料噴射タイミングθinjを決定し、エンジンコントローラ２５へ新たな燃料噴射タイミングθinjの制御指令を出力する。

一方、ステップＳ５５において、シリンダ内圧縮圧力Ｐcompと目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOと間に誤差がある場合には、ステップＳ５０に進む。
ステップＳ５０では、シリンダ内圧縮圧力Ｐcompと目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOとの間の誤差に基づいて排気弁閉タイミングの補正量Δθevcが算出される。
その後、ステップＳ５１に進みステップＳ５０において算出された排気弁閉タイミングの補正量Δθevcに基づく新たな排気弁閉タイミングθevcを決定し、エンジンコントローラ２５へ新たな排気弁閉タイミングθevcの制御指令を出力する

以上説明したように、本実施形態にかかるエンジン排気エネルギー回収装置およびこれを備えた船舶によれば、以下の作用効果を奏する。
エンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎｅから目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOと目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOとを算出することとした。また、シリンダ内圧力Ｐcylを検出して排気弁閉タイミングと燃料噴射タイミングとを制御することとした。そのため、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１と排気弁閉タイミングと燃料噴射タイミングとを制御してシリンダ内圧縮圧力Ｐcompおよびシリンダ内最高圧力Ｐmaxを目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOおよび目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOにすることができ、シリンダ６内の燃料の燃焼状態を改善して熱効率を向上させることができる。したがって、燃料の性状が変化してもエンジン本体４の燃料消費率を所定値Ｐ以下にすることができる。

また、シリンダ内圧力Ｐcylを検出して排気弁閉タイミングを制御することとした。そのため、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１が全閉状態の場合であっても、排気弁閉タイミングを制御して目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOを制御することができる。したがって、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１が制御不具合等になった場合であっても、エンジン本体４の燃料消費率を所定値Ｐ以下にすることができる。

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、適宜必要に応じて変形実施および変更実施することができる。

なお、本実施形態にかかるエンジン排気エネルギー回収装置１は、船舶に具備されるものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく例えば陸上に設置された発電プラントに設けられるものとしても良い。この場合には、以下の作用効果を奏する。
発電プラントに設けられるエンジン排気エネルギー回収装置１は、エンジン２の運転コストを抑えることができる。そのため、発電プラントの運用コストの削減を図ることができる。また、環境に考慮した発電プラントにすることができる。

また上述した各実施形態ではハイブリッド過給機３を１台備えた排気エネルギー回収装置１を一具体例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばハイブリッド過給機３を２台等として適用することも可能である。

また、本発明の実施形態によると、排気ガスバイパス制御弁Ｖ１をきめ細かく調整することにより、ハイブリッド過給機３の運転を無段階に調整して発電・電動機３ｄの発電量の調整幅を大きくすることができる。そのため、船内での電力消費量が大きく変化しても、制御用抵抗器１３の容量を小さく、小型化したものを採用できるのでコスト的にも有利である。

１ エンジン排気エネルギー回収装置。
２ 舶用ディーゼル機関（エンジン）
３ ハイブリッド過給機
３ａ タービン部
３ｂ コンプレッサ部
３ｄ 発電・電動機部
Ｌ２ バイパス管（バイパス流路）
Ｖ１ 排気ガスバイパス制御弁

Claims (19)

1. エンジンから排出される排気ガスによって駆動されるタービン部と、
   該タービン部が駆動されることによって外気を前記エンジンに圧送するコンプレッサ部と、
   前記タービン部の駆動により電力を生成する発電機と、を有するハイブリッド過給機と、
   前記エンジンの負荷、回転数、および掃気圧力を検出する検出手段と、
   前記検出された負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標掃気圧力を算出し、前記目標掃気圧力になるように前記タービン部へ供給する排気ガスの流量を決定する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、シリンダ内圧力検出手段によって検出されるシリンダ内圧力から、燃料が着火する前の圧力であるシリンダ内圧縮圧力Ｐcomp、およびシリンダ内の最高圧力であるシリンダ内最高圧力Ｐmaxを決定し、前記検出された負荷および回転数に対して前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOおよび目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOをマップまたは演算式から算出し、前記シリンダ内最高圧力Ｐmaxが前記目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOになるように前記燃料噴射タイミングを決定し、かつ、前記シリンダ内圧縮圧力Ｐcompが前記目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOになるように前記排気弁閉タイミングを決定するエンジン排気エネルギー回収装置。
2. 前記タービン部に供給される排気ガスを迂回させるバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられて、前記ハイブリッド過給機へ導かれる排気ガスの流量を制御する排気ガスバイパス制御弁と、を備え、
   前記算出された負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標掃気圧力を算出し、前記目標掃気圧力になるように前記排気ガスバイパス制御弁の開度を決定することを特徴とする請求項１に記載のエンジン排気エネルギー回収装置。
3. 前記制御装置は、前記排気ガスバイパス制御弁の開度を検出する排気ガスバイパス制御弁開度検出手段からの信号に基づいて、前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる前記排気ガスバイパス制御弁の目標開度を算出し、前記排気ガスバイパス制御弁を前記目標開度になるようにフィードバック制御する請求項２に記載のエンジン排気エネルギー回収装置。
4. 前記制御装置は、前記検出された負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標燃料噴射タイミングを算出し、前記燃料噴射タイミングを決定する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエンジン排気エネルギー回収装置。
5. 前記制御装置は、前記検出された負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標排気弁閉タイミングを算出し、前記排気弁閉タイミングを決定する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のエンジン排気エネルギー回収装置。
6. 前記エンジンは、さらに作動油蓄圧器または燃料蓄圧器を備え、
   前記制御装置には、前記検出された負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標作動油蓄圧圧力または目標燃料蓄圧圧力を算出し、前記作動油蓄圧圧力または前記燃料蓄圧圧力を決定する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のエンジン排気エネルギー回収装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のエンジン排気エネルギー回収装置を備える船舶。
8. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のエンジン排気エネルギー回収装置を備える発電プラント。
9. エンジンから排出される排気ガスによって駆動されるタービン部と、該タービン部が駆動されることによって外気を前記エンジンに圧送するコンプレッサ部と、前記タービン部の駆動により電力を生成する発電機部と、を有するハイブリッド過給機と、
   前記エンジンの負荷、回転数、および掃気圧力を検出する検出手段と、を備えるエンジン排気エネルギー回収装置の制御装置であって、
   前記検出された負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標掃気圧力を算出し、前記目標掃気圧力になるように前記タービン部へ供給する排気ガスの流量を決定し、
   シリンダ内圧力検出手段によって検出されるシリンダ内圧力から、燃料が着火する前の圧力であるシリンダ内圧縮圧力Ｐcomp、およびシリンダ内の最高圧力であるシリンダ内最高圧力Ｐmaxを決定し、前記検出された負荷および回転数に対して前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOおよび目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOをマップまたは演算式から算出し、前記シリンダ内最高圧力Ｐmaxが前記目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOになるように前記燃料噴射タイミングを決定し、かつ、前記シリンダ内圧縮圧力Ｐcompが前記目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOになるように前記排気弁閉タイミングを決定するエンジン排気エネルギー回収装置の制御装置。
10. 前記タービン部に供給される排気ガスを迂回させるバイパス流路と、
    前記バイパス流路に設けられて、前記ハイブリッド過給機へ導かれる排気ガスの流量を制御する排気ガスバイパス制御弁と、を備え、
    前記算出された負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標掃気圧力を算出し、前記目標掃気圧力になるように前記排気ガスパイパス制御弁の開度を決定することを特徴とする請求項９に記載のエンジン排気エネルギー回収装置の制御装置。
11. 前記排気ガスバイパス制御弁の開度を検出する排気ガスバイパス制御弁開度検出手段からの信号に基づいて、前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる前記排気ガスバイパス制御弁の目標開度を算出し、前記排気ガスバイパス制御弁を前記目標開度になるようにフィードバック制御する請求項１０に記載のエンジン排気エネルギー回収装置の制御装置。
12. 前記検出された負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標燃料噴射タイミングを算出し、前記燃料噴射タイミングを決定する請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載のエンジン排気エネルギー回収装置の制御装置。
13. 前記検出された負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標排気弁閉タイミングを算出し、前記排気弁閉タイミングを決定する請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載のエンジン排気エネルギー回収装置の制御装置。
14. 前記エンジンは、さらに作動油蓄圧器または燃料蓄圧器を備え、
    前記検出された負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標作動油蓄圧圧力または目標燃料蓄圧圧力を算出し、前記作動油蓄圧圧力または前記燃料蓄圧圧力を決定する請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載のエンジン排気エネルギー回収装置の制御装置。
15. エンジンから排出される排気ガスによってタービン部を駆動する工程と、
    該タービン部の駆動によりコンプレッサ部を駆動し外気を前記エンジンに圧送する工程と、
    前記タービン部の駆動によって電力を生成する工程と、
    前記エンジンの負荷、回転数、および掃気圧力を検出する工程と、
    前記検出された負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標掃気圧力を算出し、前記タービン部へ供給する排気ガスの流量を決定する工程と、
    シリンダ内圧力を検出する工程と、
    前記検出されるシリンダ内圧力から、燃料が着火する前の圧力であるシリンダ内圧縮圧力Ｐcomp、およびシリンダ内の最高圧力であるシリンダ内最高圧力Ｐmaxを決定する工程と、
    前記検出された負荷および回転数に対して前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOおよび目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOをマップまたは演算式から算出する工程と、
    前記シリンダ内最高圧力Ｐmaxが前記目標シリンダ内最高圧力ＰmaxOになるように前記燃料噴射タイミングを決定し、かつ、前記シリンダ内圧縮圧力Ｐcompが前記目標シリンダ内圧縮圧力ＰcompOになるように前記排気弁閉タイミングを決定する工程と、
    を有するエンジン排気エネルギー回収装置の制御方法。
16. さらに排気ガスが前記タービン部を迂回するバイパス流路を有するエンジン排気エネルギー回収装置において、
    前記バイパス流路に設けられた排気ガスバイパス制御弁により前記タービン部へ導かれる排気ガスの流量を制御する工程と、
    を有するエンジン排気エネルギー回収装置の制御方法であって、
    前記排気ガスバイパス制御弁の開度を検出する工程と、
    前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる前記排気ガスバイパス制御弁の目標開度を算出する工程と、
    前記排気ガスバイパス制御弁を前記目標開度になるようにフィードバック制御する工程と、
    を更に含む請求項１５に記載のエンジン排気エネルギー回収装置の制御方法。
17. 前記検出された負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標燃料噴射タイミングを算出し、前記燃料噴射タイミングを決定する工程を有することを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載のエンジン排気エネルギー回収装置の制御方法。
18. 前記検出された負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標排気弁閉タイミングを算出し、前記排気弁閉タイミングを決定する工程を有することを特徴とする請求項１５から請求項１７のいずれか１項に記載のエンジン排気エネルギー回収装置の制御方法。
19. さらに作動油蓄圧器または燃料蓄圧器を備えたエンジンにおけるエンジン排気エネルギー回収装置の制御方法において、
    前記検出された負荷および回転数から前記エンジンの燃料消費率が所定値以下となる目標作動油蓄圧圧力または目標燃料蓄圧圧力を算出し、前記作動油蓄圧圧力または前記燃料蓄圧圧力を決定する工程を有することを特徴とする請求項１５から請求項１８のいずれか１項に記載のエンジン排気エネルギー回収装置の制御方法。

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