JP2013133776A - 内燃機関の廃熱を利用した電動過給装置及びその電力供給方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンジン1の廃熱によって発生させた蒸気を膨張させて膨張器25を回転させる蒸気サイクル装置2と、該膨張器25に連結され、該膨張器25の回転力によって発電する第1発電機5と、該第1発電機5によって発電された電力を蓄える専用バッテリィ8と、該専用バッテリィ8の電力により駆動されるモータ14によって第1コンプレッサ11を駆動し、圧縮空気を生成する電動過給装置9とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
しかし、排ガスでタービンを駆動し、該タービンの回転軸に直結して設けられたコンプレッサを駆動するターボチャージャでは、エンジンの排ガスが十分量排出されてコンプレッサが十分な過給をするまでに時間がかかるという、いわゆるターボラグの問題がある。
その対応として、コンプレッサを電動機によって駆動する電動機付ターボチャージャが使用されている。
特許文献1によると、ターボチャージャの回転軸に軸結合された電動モータと、該ターボチャージャを駆動した排ガスの一部、又は全部を導入してエネルギー回収し、電力に変換して蓄え、蓄えた電力で電動モータを駆動する技術が開示されている。
ターボチャージャの回転軸に電動モータが軸結合されているのでタービンの回転慣性力及び、回転負荷によってモータ駆動によるタービンの回転レスポンスが不十分である。
また、タービンを駆動した排ガスで、再度タービンを駆動させることは効率が悪い。
この場合、電動コンプレッサに大きな電力を使用すると蓄電手段の電源電圧が低下し、該蓄電手段と電源を同じくしている他の装置、機器類の動作に悪影響を与える。
また、電力の充放電が激しくなると、蓄電手段(バッテリィの場合)電池の劣化を早める。
さらに、電動コンプレッサに大きな電力を使用し、蓄電手段の充電量が少なくなると、過給能力が低下し、エンジンのレスポンスが遅くなり、ドライバーに不安感を与える。
さらに、特許文献2においては、蓄電装置と電源を同じくしている他の装置、機器類の動作に悪影響を与えると共に、蓄電手段の消費により過給能力が低下し、エンジンのレスポンスが遅くなり、ドライバーに不安感を与える等の不具合を有している。
該蒸気タービンの回転力によって発電する第1発電装置と、
該第1発電装置によって発電された電力を蓄える第1蓄電装置と、
該蓄電装置の電力により駆動されるモータと、
前記第1蓄電装置の電力により駆動されるモータによってコンプレッサを駆動し、圧縮空気を生成する電動過給装置と、を備えたことを特徴とする。
また、電動過給機なので、タービンが無くエンジン排圧上昇が抑制され、自然吸気エンジン並みの燃費が実現できる。
電動過給機なので、周囲温度が比較的低いので、モータインバータに高い耐熱性が要求されないので、コスト低減が可能となる。
従って、排気タービンと蒸気タービン又は、前記蒸気タービンと前記第1発電装置との回転軸の結合は非接触継手にて連結する構造としたので、蒸気サイクル装置の蒸気が漏れ出さないように、蒸気サイクル装置を密閉することができ、メンテナンスの容易化が図れると共に、媒体である蒸気の減少を防止できる。
前記ターボチャージャに導入された排ガスは前記排ガス浄化処理装置を経由して前記蒸気サイクル装置に導入され、前記ウェストゲートバルブから排気ターボチャージャをバイパスした排ガスはバイパス管を介して前記蒸気サイクル装置に導入されるようにするとよい。
該蒸気タービンに連結され、該蒸気タービンの回転力によって発電する第1発電装置と、
該発電装置によって発電された電力を蓄える第1蓄電装置と、
前記エンジンを駆動源とする装置を作動させるための装置作動用の第2蓄電装置と
該第1蓄電装置の電力によりモータによってコンプレッサを駆動し、圧縮空気を生成する電動過給装置と、を備えたエンジン廃熱を利用した電動過給装置への電力供給方法において、
前記夫々の蓄電装置の充電状態をチェックする工程と、チェックした充電状態が夫々の蓄電装置の使用状況に対し必要充電量になっているかを判断する工程と、一方の蓄電装置の充電量が必要充電量に余裕がある場合で、他方の蓄電装置の充電容量が不足している場合には、一方の蓄電装置から他方の蓄電装置に融通する電力融通工程とを備えたことを特徴とするエンジン廃熱を利用した電動過給装置への電力供給方法。
電動過給機なので、周囲温度が比較的低いので、モータインバータに高い耐熱性が要求されないので、コスト低減が可能となる。
但し、この実施例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。
本発明にかかるエンジン廃熱を利用した電動過給装置に関する全体概略構成図を示し、1はエンジンである。
該エンジン1から排出される排ガスは排気管1aを介して、排ガスの熱を回転エネルギーに変換する蒸気サイクル装置2に導入される。該蒸気サイクル装置2の回転エネルギーは、非接触継手であるマグネットカップリング7を介して第1発電機5を駆動して交流発電を行う。第1発電機5に併設された第1コンバータ6(第1発電機5と第1コンバータ6とで第1発電装置3を構成)によって交流を直流に変換して、第1蓄電装置であるバッテリィ8に蓄電される。
9は電動過給装置で、該電動過給装置9は、バッテリィ8に蓄電されている電力によりモータ14に連結した第1コンプレッサ11を駆動して吸気を圧縮空気にして、エンジン1に導入する構成になっている。
節炭器23を通過した媒体Rは復水器21で冷却され、蒸気から液体に変化される。
復水器21で液化された媒体Rは、給水ポンプ22によって節炭器23に送水され、既述の通り排ガスによって予備加熱される。予備加熱された媒体Rは再び蒸発器24に導入され液体から蒸気に変化される。
尚、本実施形態の場合は、媒体Rとして代替フロンガスを使用したが、同等作用をするものであれば、他の媒体でも同様効果を得られる。
また、本実施形態では、節炭器23を使用したが、排ガス温度が高く、蒸発器24における排ガスの熱によって液体から蒸気に十分に行われる場合には省略することも可能である。
さらに、排ガス温度が低く、蒸発器24における排ガスの熱による液体から蒸気への変化が十分に行われない場合には、別の過熱装置を付加してもよい。
そして、第1発電機5は膨張器25と同軸上に配置され非接触継手であるマグネットカップリング7によって、膨張器25の回転を第1発電機5に伝達する構造になっている。
マグネットカップリング7は、膨張器25から媒体R(この場合は蒸気状態)が洩れないように密閉する必要があるため、非接触性の回転伝達装置として用いられている。
また、専用バッテリィ8としたのは、エンジン1を動力源として使用している機器(装置)を作動(運転)するために設けられている他の蓄電装置(バッテリィ)と共用すると
モータ14で電力を使いすぎた場合に、該機器(装置)の運転に影響を与える可能性があるためである。
該パワーマネジメントシステム80は、夫々のバッテリィ8及び、81の充電状態(SOC(SOC:State Of Charge)を監視しながら、専用バッテリィ8と、他のバッテリィ81と、両バッテリィ間の融通を制御する制御ECU83と、該制御ECU83の電力融通指令に基づいて両バッテリィ8,81間の電力(電流)の融通を実施する双方向コンバータ85とを備えている。
即ち、パワーマネジメントシステム80は、専用バッテリィ8によって第1コンプレッサ11で必要圧縮空気を得るためにモータ14を駆動する電力量、所謂必要充電量以上の場合で、且つ他のバッテリィ81が上述の既存装置の機器(装置)を作動(運転)するために必要な充電量が不足している場合に、専用バッテリィ8から他のバッテリィ81に電力を融通するものである。
一方、専用バッテリィ8が必要充電量より不足している場合で、他のバッテリィ81が機器(装置)を作動(運転)するため必要充電量以上の場合に他のバッテリィ81から専用バッテリィ8に電力を融通するものである。
ステップS1でスタートし、ステップS2において制御ECU83は専用バッテリィ8のSOCをチェックする。ステップS3において、制御ECU83はその結果を運転席に表示する。
ステップS4において、制御ECU83は他のバッテリィ81のSOCをチェックする。
ステップS5において、制御ECU83はその結果を運転席に表示する。
ステップS6において、制御ECU83は、ステップS2で検知した専用バッテリィ8の充電量が第1コンプレッサ11で必要圧縮空気を得るためにモータ14を駆動する電力量、所謂必要充電量以上か否かを判断する。必要充電量以上の場合には、Yesを選択してステップS7に進む。ステップS7において、制御ECU83は、ステップS4で検知した他のバッテリィ81が機器(装置)を作動(運転)するために必要充電量以上になっているか否かを判断する。必要充電量以上の場合にはステップS8に進みリターンする。
この場合、専用バッテリィ8及び、他のバッテリィ81共に必要充電量を有しているので相互間の電力融通は行われない。
また、電動過給機なので、タービンが無くエンジン排圧上昇が抑制され、自然吸気エンジン並みの燃費が実現できる。
電動過給機なので、周囲温度が比較的低いので、モータインバータに高い耐熱性が要求されないので、コスト低減が可能となる。
さらに、パワーマネジメントシステム80を備えているので、装置作動用の専用蓄電装置と、別の蓄電装置の充電量をチェックして、不足した場合には、お互いに電力を融通して、機能の性能を確保すると共に、充電量が十分でない場合には、過給効果が減少するが、ゼロになることが無いので、装置が停止することが無く最低必要量の効果を得ることができる。
本実施形態は第1実施形態に対し、蒸気サイクル装置2とエンジン1との間に排ガスタービン発電装置15が介装されたものである。従って、同じものは同一の符号を付して説
明は省略する。
エンジン1から排出される排ガスは排気管1aを介して第2発電装置である排ガスタービン発電装置15に導入される。排ガスタービン発電装置15の排ガスタービン16を駆動した排ガスは、蒸気サイクル装置2に導入される。蒸気サイクル装置2は液体の媒体を排ガスの熱によって発生させた蒸気によって蒸気タービンである膨張器25を回転駆動し、第1発電機5を駆動して発電する。発電した電流は第1コンバータ6によって交流から直流に変換され、専用蓄電装置であるバッテリィ8に充電される。
尚、膨張器25と、第1発電機5とはマグネットカップリング7によって同軸的に連結されている。
バッテリィ8の電流は電動過給装置9を作動させて、吸気を圧縮空気に加圧して給気管11aを介してエンジン1の燃焼室(図示省略)に導入される。
第2発電機51で発電された電流は、専用バッテリィ8に充電される。
このような構造にすることによって、排ガスタービン発電装置15にて排ガスタービン16を駆動して発電し、排ガスタービン16を駆動した排ガスは高温を維持しているので、蒸気サイクル装置2において、排ガスの熱を利用して排ガスの熱によって発生させた蒸気で蒸気タービンである膨張器25を回転駆動させる。
従って、排ガスタービン発電装置15と蒸気サイクル装置2との2段階でエネルギー回収を行うためエネルギー回収効率が高く、発電量が増加できる。
本実施形態は第1実施形態に対し、蒸気サイクル装置2の膨張器25の回転軸と、実施形態2の排ガスタービン発電装置15の回転軸をマグネットカップリング7で同軸に連結した構造である。
エンジン1から排出される排ガスは排気管1aを介して排ガスタービン発電装置15に導入される。排ガスタービン発電装置15の排ガスタービン16を駆動した排ガスは、蒸気サイクル装置2に導入される。蒸気サイクル装置2は液体の媒体を蒸気に変化させて、蒸気によって膨張器25を回転駆動させる。
排ガスタービン発電装置15は、エンジン1からの排ガスによって回転駆動する排ガスタービン16と、排ガスタービン16の回転の他端側に配設された第3発電機53と、該第3発電機53が発電した電流を交流から直流に変換する第3コンバータ63とを備えている。
そして、膨張器25の回転軸と、排ガスタービン16の回転軸を同一軸線状に配設し、マグネットカップリング7にて連結したもので、膨張器25と排ガスタービン16とは直列に配置された状態にある。
さらに、第3発電機53で発電した電力は蓄電装置である専用バッテリィ8に充電される。バッテリィ8の電流は電動過給装置9を作動させて、吸気を圧縮空気に加圧して給気管11aを介してエンジン1の燃焼室(図示省略)に導入される。
更に、第3発電機53及び、第3コンバータ63共に個数を減少させることができ、コスト低減が図れると共に、搭載上の設計レイアウトに余裕ができ、品質を安定させることができる。
本実施形態は第1実施形態に対し、蒸気サイクル装置2とエンジン1との間にターボチャージャ4を介装して2段過給したものである。従って、同じものは同一の符号を付して説明は省略する。
エンジン1から排出される排ガスは排気管1aを介してターボチャージャ4に導入され排ガスタービン16を駆動する。
排ガスタービン16を駆動した排ガスは、蒸気サイクル装置2に導入される。蒸気サイクル装置2は液体の媒体を蒸気に変化させて、蒸気によって膨張器25を回転駆動し、第1発電機5を駆動して発電する。発電した電流は第1コンバータ6によって交流から直流に変換され、専用蓄電装置であるバッテリィ8に充電される。
尚、膨張器25と、第1発電機5とはマグネットカップリング7によって同軸的に連結されている。
バッテリィ8の電流は電動過給装置9を作動させて、吸気を圧縮空気に加圧して給気管11aを介してエンジン1の燃焼室(図示省略)に導入される。
従って、本実施形態においては、ターボチャージャ4において一段目の圧縮空気を生起して、その圧縮空気を電動過給装置9の第1コンプレッサ11の上流側である吸気側に導入している。
そして、電動過給装置9の第1コンプレッサ11によって更に、加圧する構成になっている。ターボチャージャ4において一段目の圧縮空気を生起して、その圧縮空気を電動過給装置9の第1コンプレッサ11の上流側である吸気側に導入するいわゆる2段過給を実施している。
一方、ターボチャージャ4を駆動した排ガスは、蒸気サイクル装置2にて熱エネルギーを回転エネルギーに変換することにより第1発電機5を駆動し、第1コンプレッサ11を駆動するモータ14の電源になるバッテリィ8に充電するようになっている。
本実施形態は第1実施形態に対し、蒸気サイクル装置2とエンジン1との間にターボチャージャ4を介装して2段過給し、該ターボチャージャ4に対するウェストゲートバルブ30と、ターボチャージャ4の下流側に排ガス処理装置35を配置したものである。
従って、同じものは同一の符号を付して説明は省略する。
エンジン1から排出される排ガスは排気管1aを介して、ターボチャージャ4の排気系上流側に位置し、該ターボチャージャ4の過給圧をコントロールするウェストゲートバルブ30に導入される。
該ウェストゲートバルブ30に導入された排ガスは、ターボチャージャ4の過給圧により排ガスタービン16側に流れる排ガスと、流量を調整された排ガスはバイパス管30aを介して蒸気サイクル装置2に導入される。
排ガスタービン16から吐出された排ガスは、排ガス処理装置35内を通過して蒸気サイクル装置2に導入される。
尚、膨張器25と、第1発電機5とはマグネットカップリング7によって同軸的に連結されている。
バッテリィ8の電流は電動過給装置9を作動させて、吸気を圧縮空気に加圧して給気管11aを介してエンジン1の燃焼室(図示省略)に導入される。
ターボチャージャ4は、排ガスによって回転駆動される排ガスタービン16と、排ガスタービン16の回転軸に取付けられ、吸気を加圧する第2コンプレッサ17と、該第2コンプレッサ17によって生起された圧縮空気を電動過給装置9の第1コンプレッサ11の上流側に連結する加圧配管17aとを備えている。
従って、本実施形態においては、ターボチャージャ4において一段目の圧縮空気を生起して、その圧縮空気を電動過給装置9の第1コンプレッサ11の上流側である吸気側に導入するいわゆる2段過給を実施している。
排ガス処理装置35から導出した排ガスは、バイパス管30aを流れてきた排ガスと合流して蒸気サイクル装置2に導入される。
2 蒸気サイクル装置
3 第1発電装置
4 ターボチャージャ
5 第1発電機(第1発電装置)
6 第1コンバータ(第1発電装置)
7 マグネットカップリング(非接触継手)
8 専用バッテリィ(第1蓄電装置)
9 電動過給装置
11 第1コンプレッサ
12 インバータ
14 モータ
15 排ガスタービン発電装置(第2発電装置)
16 排ガスタービン
17 第2コンプレッサ
21 復水器
22 給水ポンプ
23 接炭器
24 蒸発器
25 膨張器(蒸気タービン)
30 ウェストゲートバルブ
35 排ガス処理装置
51 第2発電機
53 第3発電機
61 第2コンバータ
63 第3コンバータ
80 パワーマネジメントシステム
81 他のバッテリィ(第2蓄電装置)
85 双方向コンバータ
R 媒体
Claims (8)
- エンジンから排出される排ガスの熱によって発生させた蒸気によって蒸気タービンを回転させる蒸気サイクル装置と、
該蒸気タービンの回転力によって発電する第1発電装置と、
該第1発電装置によって発電された電力を蓄える第1蓄電装置と、
該蓄電装置の電力により駆動されるモータと、
前記第1蓄電装置の電力により駆動されるモータによってコンプレッサを駆動し、圧縮空気を生成する電動過給装置と、を備えたことを特徴とする内燃機関の廃熱を利用した電動過給装置。 - 前記蒸気サイクル装置の排気系上流側に配置され、排ガスによって駆動される排気タービンと、該排気タービンに連結した第2発電装置と、を備え、前記第1蓄電装置に前記第2発電装置によって発電された電力を蓄えることを特徴とする請求項1記載の内燃機関の廃熱を利用した電動過給装置。
- 前記第1発電装置は、蒸気によって駆動される前記蒸気タービンに加えて排ガスで駆動される排気タービンとを同軸上に直列に配置したことを特徴とする請求項1記載の内燃機関の廃熱を利用した電動過給装置。
- 前記蒸気タービンと前記排気タービン又は、前記蒸気タービンと前記第1発電装置との回転軸の結合は非接触継手にて連結されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項記載の内燃機関の廃熱を利用した電動過給装置。
- 前記蒸気サイクル装置の排気系上流側にターボチャージャを配設し、該ターボチャージャ又は、前記電動過給装置から吐出された圧縮空気をいずれか一方から、いずれか他方のコンプレッサの吸気側に連結して2段過給としたことを特徴とする請求項1記載の内燃機関の廃熱を利用した電動過給装置。
- 前記蒸気サイクル装置と前記ターボチャージャとの間に介装された排ガス浄化処理装置と、前記ターボチャージャの排気系上流側に配置され、該ターボチャージャへの排ガス導入量を調整するウェストゲートバルブと、を備え、
前記ターボチャージャに導入された排ガスは前記排ガス浄化処理装置を経由して前記蒸気サイクル装置に導入され、前記ウェストゲートバルブから排気ターボチャージャをバイパスした排ガスはバイパス管を介して前記蒸気サイクル装置に導入されるようにしたことを特徴とする請求項3記載の内燃機関の廃熱を利用した電動過給装置。 - 前記エンジンを駆動源とする装置を作動させるための装置作動用の第2蓄電装置を備え、前記第1蓄電装置又は、前記第2蓄電装置のいずれか一方がその蓄電装置によって運転するのに必要な必要充電量に余裕があり、且ついずれか他方の蓄電装置の充電容量が必要充電量に対し不足している場合には、いずれか一方の蓄電装置からいずれか他方の蓄電装置に電力を融通するようにしたことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項記載の内燃機関の廃熱を利用した電動過給装置。
- エンジンから排出される排ガスの熱によって発生させた蒸気によって蒸気タービンを回転させる蒸気サイクル装置と、
該蒸気タービンに連結され、該蒸気タービンの回転力によって発電する第1発電装置と、
該発電装置によって発電された電力を蓄える第1蓄電装置と、
前記エンジンを駆動源とする装置を作動させるための装置作動用の第2蓄電装置と
該第1蓄電装置の電力によりモータによってコンプレッサを駆動し、圧縮空気を生成する電動過給装置と、を備えたエンジン廃熱を利用した電動過給装置への電力供給方法において、
前記夫々の蓄電装置の充電状態をチェックする工程と、チェックした充電状態が夫々の蓄電装置の使用状況に対し必要充電量になっているかを判断する工程と、一方の蓄電装置の充電量が必要充電量に余裕がある場合で、他方の蓄電装置の充電容量が不足している場合には、一方の蓄電装置から他方の蓄電装置に融通する電力融通工程とを備えたことを特徴とするエンジン廃熱を利用した電動過給装置への電力供給方法。
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