JP2019031976A - タービン発電機システムおよび方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】効率を最大限に引き出す排気流特性制御を行う方法を提供する。【解決手段】流体流からエネルギーを得るタービン発電機システムが提供される。当該システムは、前記流体により駆動されるよう設けられ、前記流体が流入する入口と前記流体が排出される出口とを有するタービン発電機タービン１６を有するタービン発電機５を有する。前記タービン発電機はさらに、前記タービン発電機タービンの出力軸に設けられ、軸動力を電力に変換する交流発電機を有する。さらに、前記タービン発電機の動作を、タービン発電機システムの動作条件に応じて制御する制御部材が設けられる。【選択図】図１

Description

本発明はガス流からエネルギーを得るタービン発電機システムおよびガス流からエネルギーを得る方法に関する。
本発明は特に、圧縮着火ディーゼルエンジンからの排気、火花着火ガスエンジンからの排気、蒸気、有機ランキン流体、または加圧ガスなどのガス流からエネルギーを得るタービン発電機システムおよび方法に特定の用途を見出す。たとえば、本発明のシステムおよび方法は、ピストンエンジンの排気管内の流体から排気エネルギーを回収するために用いられてもよい。
従来のタービン発電機システムは、現行のタービン発電機排気エネルギー回収システムの利便性および効率を最大限に引き出す能力が限定される。これは、当該システムにおける排気流特性の制御が不十分なためである。
本発明は、このような限定に対処するため、タービン発電機システムおよび方法において、弁および／またはその他の制御方法を利用するものである。
本発明の一態様に係る流体流からエネルギーを得るタービン発電機システムは、流体により駆動されるよう設けられ、流体が流入する入口と流体が排出される出口とを有するタービン発電機タービンを有するタービン発電機を有する。タービン発電機はさらに、タービン発電機タービンの出力軸に設けられ、軸動力を電力に変換する交流発電機を有する。さらに、タービン発電機の動作を、タービン発電機システムの動作条件に応じて制御する制御部材が設けられる。
本発明の別の態様に係る流体流からエネルギーを得るタービン発電機を制御する方法は、流体により、流体が流入する入口と流体が排出される出口とを有するタービン発電機タービンを有するタービン発電機を駆動することと、タービン発電機タービンの出力軸に設けられた交流発電機により、軸動力を電力に変換することと、タービン発電機の動作を、動作条件に応じて制御することとを含む。
好ましくは、本発明はピストンエンジンの排気管内の流体から排気エネルギーを回収するために利用される。この場合、本発明はさらに、排気管と流体連通するように設けられるターボチャージャタービンを有するターボチャージャを含み、排気管内の流体により駆動されるエンジン排出流を流し、タービン発電機はターボチャージャに対し直列構造または並列構造となってもよい。
制御システムは、１以上の弁の配列を有してもよい。例えば、タービン発電機調整弁、タービン発電機遮断弁、ターボチャージャウェイストゲート弁（turbocharger waste-gate valve）、全体システムウェイストゲート弁からなる群から選択される弁の配列を有す
る。いずれの場合も、それぞれの弁は、手動式または自動式であってもよく、また開閉弁または調節弁であってもよい。
本発明は、例えば添付の図を参照にさらに説明される。
本発明の第１実施形態に係るタービン発電機システムの概略図であって、タービン発電機は直列構造を有し、タービン発電機調整弁を有する。 タービン発電機調整弁およびタービン発電機遮断弁を有する、図１に示すシステムに類似した第２実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 ターボチャージャウェイストゲート弁およびタービン発電機調整弁を有する、図１に示すシステムに類似した第３実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 ターボチャージャウェイストゲート弁、タービン発電機調整弁、タービン発電機遮断弁を有する、図１に示すシステムに類似した第４実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 タービン発電機三方調整弁を有する、図１に示すシステムに類似した第５実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 ターボチャージャウェイストゲート弁およびタービン発電機三方調整弁を有する、図１に示すシステムに類似した第６実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 システムウェイストゲート弁およびタービン発電機調整弁を有する、図１に示すシステムに類似した第７実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 システムウェイストゲート弁、タービン発電機調整弁、タービン発電機遮断弁を有する、図１に示すシステムに類似した第８実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 システムウェイストゲート弁、ターボチャージャウェイストゲート弁、タービン発電機調整弁を有する、図１に示すシステムに類似した第９実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 システムウェイストゲート弁、ターボチャージャウェイストゲート弁、タービン発電機調整弁、タービン発電機遮断弁を有する、図１に示すシステムに類似した第１０実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 システムウェイストゲート弁、タービン発電機三方調整弁を有する、図１に示すシステムに類似した第１１実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 システムウェイストゲート弁、ターボチャージャウェイストゲート弁、タービン発電機三方調整弁を有する、図１に示すシステムに類似した第１２実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 並列構造のタービン発電機がタービン発電機調整弁を有する、タービン発電機システムの第１３実施形態の概略図である。 ターボチャージャウェイストゲート絞り弁のみを有する、図１３に示すシステムに類似した第１４実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 ターボチャージャウェイストゲート絞り弁、タービン発電機調整弁を有する、図１３に示すシステムに類似した第１５実施形態のタービン発電機システムの概略図である ターボチャージャウェイストゲート絞り弁とタービン発電機遮断弁を有する、図１３に示すシステムに類似した第１６実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 ターボチャージャウェイストゲート絞り弁、タービン発電機調整弁、タービン発電機遮断弁を有する、図１３に示すシステムに類似した第１７実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 直列構造のタービン発電機を有する、図１から図１２のいずれか１つに示すタービン発電機システムのプロセッサの概略図であり、プロセッサにより処理される制御イベントを示す。 並列構造の図１３から図１８のいずれか１つに示すタービン発電機システム内のプロセッサで実行されるステップの概略フローチャートである。
まず、制御弁構造の各種配列を有する、直列構造を有するタービン発電機システムの概略図である図１から１２を参照する。最初に基本タービン発電機システムを説明する。
図示のとおり、ピストンエンジン１は、ディーゼルまたは火花着火ピストンエンジンであってもよく、給気冷却器２を介してターボチャージャ３から流入空気を取り込む。エンジン１は、排気管１００を有し、排気管１００を介してターボチャージャ３のタービン１２の入口２０に排気が行われる。ターボチャージャ３に対し直列に接続されたタービン発電機５に対し流体接続されたタービン排気管１４へ、タービン１２の出口２２から排気が行われる。タービン発電機５は、タービン１６と、交流発電機１８を有する。交流発電機１８はタービン１６の出力軸に設けられ、軸動力を電力に変換する。交流発電機１８は電力変換装置３１に接続される。電力変換装置３１は図示のとおり電力出力を供給し、後述のエンジン制御部３２と通信する。
タービン排気管１４からタービン１６の入口２６へ排気が行われ、タービン１６の出口２８から大気中への排気用の排気管３０へ排気が行われる。上記のようにタービン発電機５は、エンジン１からの排気ガスがまずターボチャージャタービン１２を通過し、その後タービン発電機タービン１６を通過するよう、直列接続構造を有する。
上記特徴は図１から図１２の実施形態の全てに共通するものであり、以下では上記特徴をさらに説明せず、各種弁配列を説明する。
図１に示す第１弁配列は、タービン排気管１４と排気管３０との間の分岐線２４に接続された簡素なタービン発電機調整弁４を有する。したがって、調整弁４は一方のポートがタービン発電機５への入口２６にあり、他方のポートがタービン発電機５の出口２８に接続されている。したがって、タービン発電機調整弁４は、タービン発電機５の入力側２０から出力側２２へのバイパスガス流を提供する。調整弁４を制御することで、タービン発電機５をバイパスするガス流の量が変更され、タービン発電機５の発電量が制御される。弁４は手動式でも自動式でもよく、求められる制御によっては開閉弁または調節弁であってもよい。
図２に示す第２弁配列では、タービン発電機調整弁４に加え、タービン発電機調整弁４へ導通する分岐２４の下流のタービン排気管１４にタービン発電機遮断弁６が設けられる。したがって、遮断弁６はタービン発電機５の入口２０のすぐ上流に接続される。タービン発電機５の故障や保全が必要となった際に遮断を実行することで、タービン発電機５が完全にバイパスされる。このような場合にタービン発電機５を遮断することで、エンジン１が動作し続けることが可能となる。弁６は手動式でも自動式でもよい。
図３に示す第３弁配列では、ターボチャージウェイストゲート弁７がピストンエンジン１の排気管１００と、タービン排気管１４と間の分岐線３２内に接続される。ターボチャージャウェイストゲート弁７は開閉弁または調節弁であってもよく、手動式でも自動式でもよい。弁７を調整することで、質量単位で計測される主エンジン空燃比、即ちエンジン１に供給される燃料に対する、エンジン１に供給される空気の比率が変更可能である。またターボチャージャタービン１２の圧力もそれに応じて変更されるため、ターボチャージャ３の回転数やそれに対応する給気圧が上昇または低下し、それに伴い空気流とエンジン燃焼のラムダ値も増加または減少する。ここでラムダ値とはエンジンに供給される総酸素量をストイキ燃焼に必要な酸素量で除算した比率である。
図３に示す第３弁配列はさらに上述のタービン発電機調整弁４を有する。
図４に示す第４弁配列は、ターボチャージャウェイストゲート弁７、タービン発電機調整弁４、タービン発電機遮断弁６の全てを組み合わせたものを有する。
図５に示す第５弁配列は、手動式でも自動式でもよいタービン発電機三方調整弁８を有する。三方調整弁８はタービン排気管１４および分岐線２６内に接続され、タービン１６の入口２６への排気流や、タービン１６の入口２６をバイパスして排気管１４から排気管３０へ直接流れ、出口２８に至るバイパス流の両方を制御する。
図６に示す第６弁配列は、それぞれ上述の通り接続されたターボチャージャウェイストゲート弁７とタービン発電機三方調整弁８との組み合わせを有する。
図７に示す第７弁配列は、エンジン１からの排気管１００と、大気中への排気用のタービン発電機排気管２４との間に接続された全体システムウェイストゲート弁９を有する。ウェイストゲート弁９は手動式でも自動式でもよく、要件に応じて開閉弁または調節弁でもよい。したがって、ウェイストゲート弁９は一方のポートがターボチャージャタービン１２の入口２０に効果的に接続され、もう一方のポートがタービン発電機タービン１６の出口２８に接続される。本弁配列はさらに上述のタービン発電機調整弁４を有する。
図８に示す第８弁配列は、全体システムウェイストゲート弁９と、タービン発電機弁４と、タービン発電機遮断弁６との組み合わせを有する。
図９に示す第９弁配列は、全体システムウェイストゲート弁９と、ターボチャージャウェイストゲート弁７と、タービン発電機調整弁４との組み合わせを有する。
図１０に示す第１０弁配列は、全体システムウェイストゲート弁９と、ターボチャージャウェイストゲート弁７と、タービン発電機調整弁４と、タービン発電機遮断弁６との組み合わせを有する。
図１１に示す第１１弁配列は、全体システムウェイストゲート弁９と、タービン発電機三方調整弁８との組み合わせを有する。
図１２に示す第１２弁配列は、上述した全体システムウェイストゲート弁９と、ターボチャージャウェイストゲート弁７と、タービン発電機三方調整弁８との組み合わせを有する。
図１３から図１８に、異なるタービン発電機構成を持つ、さらなるタービン発電機システムを示す。これら図において、エンジン１とターボチャージャ３とが上述のとおりに接続されている。上述のとおりタービン発電機５の交流発電機１８が電力変換装置３１に接続され、上述のとおり電力変換装置がエンジン制御部３２と通信する。しかし、タービン発電機５は並列構造となるよう接続されるため、エンジン排気ガスはターボチャージャタービン１２およびタービン発電機タービン１６のいずれかを通過する。即ち、タービン発電機３のタービン１２からタービン排気管１１４を通じて大気中に排気が行われる。分岐線１１６はエンジン排気管１００からタービン発電機５のタービン１６の入口２６につながる。タービン１６の出口２８から延びるタービン発電機排気管３０から大気中への排気が行われる。
この様なタービン発電機５の並列構造は、図１３から図１８に示す全ての実施形態に利用される。以下ではこの並列構造をさらに説明せず、さらなる弁配列が説明される。
図１３に示す弁配列では、タービン発電機調整弁４がタービン発電機タービン１６周辺において、タービン１６の入口２６と出口２８との間に接続される。したがって、タービン発電機調整弁４は分岐線１１６と排気管３０との間に接続される。
図１４に示すさらなる弁配列では、ターボチャージャウェイストゲート絞り弁１０が排気管１００からタービン発電機タービン１６の入口２６につながる分岐線１１６内に接続されている。したがって、ウェイストゲート絞り弁１０は一方のポートがターボチャージャタービン１２の入口２０に接続され、もう一方のポートがターボチャージャタービン１２の排気側に接続されている。ウェイストゲート絞り弁１０は手動式でも自動式でもよく、要求に応じて排気ガス流を調整してもよい。
図１５に示すさらなる弁配列では、上述の通り接続されたターボチャージャウェイストゲート絞り弁１０と、タービン発電機調整弁４とが組み合される。
図１６に示すさらなる弁配列では、図示のとおりターボチャージャウェイストゲート絞り弁１０がタービン発電機遮断弁６に組み合されている。この場合、両弁が分岐線１１６内で直列に接続されており、タービン発電機遮断弁６がタービン発電機ウェイストゲート絞り弁１０の下流に接続されている。
図１７に示すさらなる弁配列では、図１６に示すターボチャージャウェイストゲート絞り弁１０とタービン発電機遮断弁６との組み合わせにタービン発電機調整弁４が追加される。この場合、タービン発電機調整弁４はターボチャージャウェイストゲート絞り弁１０と、タービン発電機遮断弁６と、排気管３０との間の点１１８に接続される。
図１８に示すさらなる弁配列は、ターボチャージャウェイストゲート絞り弁１０がタービン発電機三方調整弁１１に組み合される。タービン発電機三方調整弁１１は、ターボチャージャウェイストゲート絞り弁１０の下流側をタービン１６の入口２６とタービン１６の出口２８の両方に接続する。上述のようにタービン発電機三方調整弁１１は手動式でも自動式でもよい。
上述の弁配列を適切に選択し、その１つ以上の弁を適切に制御することで、特定の用途のピストンエンジン１の排気流特性に対し非常に幅広い制御選択肢が得られることが理解されよう。上述の各種弁は手動制御されてもよいが、本発明の好適な態様では、１つ以上の弁はコンピュータ制御され、エンジン制御部３２は、図１９に示すタービン発電機５内の直列構造の１つ以上の弁を制御するプロセッサ２００を有してもよい。
図１９に示すように、プロセッサ２００は各種センサからの入力を受信する。当該入力はそれぞれ、ウェイストゲート弁位置（ウェイストゲート弁が存在する場合）、タービン発電機電力、調整弁位置、故障監視を示す。これら入力によっては、プロセッサ２００は、タービン発電機電力がタービン発電機５の容量またはタービン発電機５を制御する電子機器の定格電力を超えるかを監視し、この状況における第１ループであるタービン発電機調整弁４および／または８を開弁する。プロセッサ２００は、タービン発電機調整弁４または８を制御する、各弁アクチュエータ（不図示）に制御信号を送る。
プロセッサ２００はさらに、ウェイストゲート弁７および／または９が設けられている場合、ウェイストゲート弁位置が当該弁の開度が８５％を超えたことを示唆するかを監視する。ここでも、プロセッサ２００は、タービン発電機調整弁４または８に対応する、各弁アクチュエータに動作信号を送る。
さらに、プロセッサ２００は故障メッセージや警告を監視し、故障が生じると、タービン発電機調整弁４および／または８を全開にし、同時に警告信号を送信する。
並列構造を有するタービン発電機５の好適な実施形態も、図１３から１８に示すように、コンピュータ制御システムを有することを特徴とする。コンピュータ制御システムは図２０のフローチャートに示すステップを処理、実行する。上述のとおり、コンピュータ制御システムはプロセッサ２００を含んでもよく、エンジン制御部に含まれてもよい。
図２０に示すように、起動後のエンジン１は、ステップ３００でアイドル状態となる。プロセッサは、電子機器が使用可能かを監視し、使用可能な場合、処理をステップ３０２に進める。ウェイストゲート弁１０が存在する場合、ステップ３０２で、プロセッサは当該弁が作動するのを待ち、ウェイストゲート弁１０が３０％以上開くと弁制御を開始する。ステップ３０４でプロセッサはタービン発電機５の回転数を動作回転数まで引き上げる。タービン発電機５が動作回転数にある場合、プロセッサはステップ３０６に進み、タービン発電機調整弁４やその他設けられた弁の弁位置を保持する。
その間も常に、プロセッサは全弁を監視し、タービン発電機５の発電量が最少需要電力を下回るとフィードバック信号を発して電力を増大させる（ステップ３０８）。そして電力が再び最小電力を超えると、再度弁位置を保持する（ステップ３０６）。さらに、ウェイストゲート弁の開度が８５％を超えると、圧力を低下させ（ステップ３１０）、ウェイストゲート弁の開度が８５％を下回ると、弁位置を保持する（ステップ３０６）。さらにタービン発電機５の発電量が最大電力を超えると電力量を下げ（ステップ３１２）、発電量が最大電力を下回ると再度弁位置を保持する（ステップ３０６）。
上記処理中、プロセッサはさらに故障を監視し、タービン発電機弁の弁開度が０％となると、ステップ３１４で故障信号を発して電子機器を使用不能にする。電子機器が使用不能となると、各種ステップで発される信号により、エンジン１が、ステップ３００のエンジンアイドル状態に戻る。
この様な手段により、以下に例示するような様々な制御方式が可能となる。
［方式１−タービン発電機の発電制御］
本方式では、タービン発電機５に対して直列および並列構造である調整弁４，８または１１を使用してタービン発電機５周辺のガス流をバイパスすることで、タービン発電機５の電力出力を低減する。極端な場合、電力出力は０まで低減される。これは特に特定の電力系統接続条件（欧州最大の電子標準化団体ＶＤＥにより定められた条件を含む）で必要となり得る。本方式は、特定のタービン発電機設計の適用範囲拡大に寄与するものであってもよい。
本方式は以下のとおりである。
・電力系統周波数が増加して特定の限界値を超えると、タービン発電機５に発電された電力を低減可能とする。
・電力系統が通常の周波数状況に戻ると発電量を安定して増加可能とする。
・電力を低減可能とすることで、電力変換装置３１は定格ｋＶＡを超えることなく適切なｋＶＡｒを生成可能となる。
・タービン発電機５をユーザ指定の動作点で動作可能とする。動作点は、エンジン１の出力範囲に対する最適な効率および／または電力および／または寿命のために設定される。これにより、従来技術では複数種類が必要な状況に１種類のタービン発電機で対応可能となる。
・より柔軟なタービン発電機動作範囲を実現可能である。より多くの種類のエンジン１の
ような原動機に対応可能となる。これにより、より高い商業価値を実現できる。
・タービン発電機５を完全にバイパス可能とする。これにより原動機（エンジン１）はタービン発電機が故障した場合および／または保全が必要な場合でも動作し続けることができる。
［方式２−直列構造タービン発電機における主エンジンラムダ値（空燃比）制御］
正しい燃焼を維持し、エンジン排気を許容限界値内に留めるために、エンジン制御部はエンジン１の空気燃料混合比を制限範囲内に制御する必要がある。特に、ガスエンジンではこの範囲が非常に狭くなり得る。さらに、負荷要求が急速に変化するような期間では、エンジンコントローラが空気燃料混合比を当該範囲にとどめるのが困難となりうる。このような場合、負荷増加速度を下げなければ規制ガス量を超過するおよび／またはエンジン失火すら起きうる。
タービン発電機５が図１から図１２の直列接続構造を有する場合に、空燃比（ラムダ値）の管理を補助するため、接続された電力変換装置３１およびエンジン制御部３２を用いてタービン発電機調整弁４または８を制御する制御方式を利用可能である。ラムダ値が低すぎると、タービン発電機調整弁４，８を開放してタービン発電機／弁の組み合わせ（５，４，８）内の圧力低下を抑制できる。これによりターボチャージャ３内の圧力を上昇させることができる。これによりその回転数が増加するため、給気圧力が上昇し、それに伴いエンジン１への空気流も増加する。
多くのタービン発電機と異なり、電力変換装置３１を使用することで、タービン回転数が選択可能となる。タービン内のある質量の流れについて、回転数が変化すると内部圧力も変化する（回転数が高いと、急速に圧力が低下する）。したがってタービン発電機５の回転数を増加すると、その内部の圧力も上昇する。これによりターボチャージャ３の出力タービン１２は内部圧力が低下し、回転数が減少する。その結果給気圧力が低下し、エンジン１への空気流が減少し、エンジン燃焼ラムダ値が低下する。
反対にタービン発電機の回転数が減少すると、タービン発電機タービン１６内の圧力低下も抑制し、ターボチャージャタービン１２は内部圧力が上昇し、回転数が増加する。さらに給気圧力も上昇し、空気流量も増加するため、ラムダ値が増加する。
したがって、弁制御システムは以下のとおり動作するプロセッサ２００を含むよう設計されてもよい。
・ラムダ値過小→タービン発電機調整弁４，８開放、タービン発電機の回転数減少
・ラムダ値過大→タービン発電機調整弁４，８閉鎖、タービン発電機の回転数増加
［方式３−排気マニフォルド圧力制御］
タービン発電機５が直列構造を有し、排気マニフォルド圧力が安全限界を超えて上昇すると、図１から図１２に示すように、タービン発電機調整弁４，８，が開くよう制御してもよい。これによりエンジン１の排気マニフォルド圧力が低下する。
さらに、タービン発電機の回転数も減少すると、その内部圧力の低下により排気圧力も低下する。したがって、弁制御システムは以下のとおり動作するよう設計されてもよい。・圧力過剰→タービン発電機調整弁４，８開放および／またはタービン発電機の回転数減少
［方式４−排気マニフォルド温度制御］
タービン発電機が直列構造を有し、排気マニフォルド温度が安全限界を超えて上昇すると、図１から図１２に示すように、タービン発電機調整弁４，８が開くよう制御してもよ
い。これによりエンジン１の排気マニフォルド圧力が低下する。結果として排気温度も下がる。
さらに、タービン発電機の回転数も減少すると、その内部圧力の低下により、排気圧力が低下し、排気マニフォルド温度も低下する。したがって、弁制御システムは以下のとおりに動作するよう設計されてもよい。
・過度温度→タービン発電機調整弁４，８開放および／またはタービン発電機の回転数減少
［方式５−安全エンジン起動および並列構造のタービン発電機の制御］
説明図２０をさらに参照して本方式を詳細に説明する。即ち、各種弁配列が並列構造（図１３から図１８）のタービン発電機システムに適用された場合の動作が説明される。特に、安全起動手順およびタービン発電機５／タービン発電機調整弁４，１１の組み合わせの圧力低下を抑制するためにどう使用されうるかが説明される。圧力低下の抑制により、エンジン１，のウェイストゲート弁９前後の圧力低下を促進し、これによりウェイストゲート弁９が強制的に閉じられ、エンジン１の排気マニフォルド圧力が維持される。その結果、エンジンの主要ウェイストゲート弁９がその変調範囲内にとどまることが可能となり、ラムダ値制御のため、主エンジン１の空気流を制御可能となる。
さらに、方式４で説明された特徴と類似した特徴を利用して、タービン発電機の回転数を増加させると、タービン発電機のタービン１６内のガス流が減少する。その結果、ターボチャージャ３の主タービン１２内の流量が増加し、ターボチャージャ３の回転数が増加する。これにより給気圧力が上昇し、エンジン１への空気流が増加し、エンジン燃焼ラムダ値が増加する。反対にタービン発電機の回転数が減少すると、タービン発電機のタービン１６内の流量が増加する。その結果ターボチャージャ３のタービン１２内の流量が減少し、ターボチャージャ３の回転数が減少する。そのため、給気圧力が低下し、流量、ラムダ値ともに減少する。
したがって、弁制御システムは、以下のとおりに動作し、図２０内のステップを実行するプロセッサを有するよう設計されてもよい。
・ラムダ値過小→ターボチャージャ３のウェイストゲート弁１０を閉弁、タービン発電機の回転数増加
・ラムダ値過大→ターボチャージャ３のウェイストゲート弁１０を開弁、タービン発電機の回転数減少
［方式６−タービン発電機を緩やかに予熱可能とする］
直列、並列構造のいずれの場合でも、より緩やかにタービン発電機５を予熱することが有利な場合もある（例えば製品寿命が延びる）。この場合、エンジン１が起動すると、タービン発電機調整弁４，８，１１を開弁することが有利である。これにより、エンジン１からの排気の大部分がタービン発電機５を通過しなくなる。その後弁４，８，１１をある程度の期間をかけて緩やかに閉弁することで、タービン発電機５の温度を徐々に上昇させる（これにより発電可能となる）。
［弁設計条件］
いかなる特定の配列においても、動作環境、システムのフェイルセーフの必要性に合わせて弁を選択するべきである。その結果、タービン発電機調整弁４，８，１１の各種配列を実現するため、タービン発電機遮断弁６、ターボチャージャ、システムウェイストゲート弁７，９，１０を過酷な環境や、必要な反応速度を想定して選択するべきである。試験により、以下が最適であると確認された。
Figure 2019031976
さらに、保全中などにターボチャージャの回転数が過剰に上昇することを防ぐことも考慮して弁を選択するべきである。タービン発電機調整弁４，８，１１を作動してタービン発電機５を使用不能にする際、ターボチャージャ３があまりに急速に回転してエンジン１に過剰な給気圧力が送られることを防ぐことが重要である。
一例として、エンジン１に多少の背圧がかかるよう、タービン発電機弁の直径が選択される。しかしこの場合、タービン発電機５にある程度の圧力がかかるため、タービン発電機遮断弁６などが必要となる。或いは、ターボチャージャウェイストゲート弁７を開弁して、ウェイストゲート弁７からエンジン１からの排気流をある程度抜くことで、ターボチャージャ３の回転数を抑制してもよい。
本発明に係る上述の実施形態により、以下のような様々な利点が得られる。
・エンジン混合燃焼の空燃比の制御
・原動機に限定を設けることなくタービン発電機の利用可能電力を制御
・一種類のタービン発電機を幅広い用途に適用可能
・タービン発電機器具を保護するため、ユーザがタービン発電機を使用不能にすることが可能
・エンジンが動作し続けられるよう、ユーザがタービン発電機を使用不能にすることが可能
・最大状態ではなく、通常動作状態に合わせることにより、技術的、商業的側面の両方から、タービン発電機の最適な適用が可能
・あらゆる理由で電力変換装置から電力を取り出せない場合でもタービン発電機の回転数が過剰に上昇することを防ぐため、より小さな電気ブレーキ回路を使用可能または電気ブレーキ回路を不要とすることも可能
・システムがエンジン（たとえば不完全燃焼による）または電力系統／電気的負荷による一時的障害を乗り越えることが可能
・保全のため、タービン発電機を電源から遮断可能
・過剰な負荷／温度がかかることを防いで、タービン発電機の製品寿命を長くすることが可能
・より速やかに主エンジンの回転数増加／負荷低下可能
本発明の第１実施形態に係るタービン発電機システムの概略図であって、タービン発電機は直列構造を有し、タービン発電機調整弁を有する。 タービン発電機調整弁およびタービン発電機遮断弁を有する、図１に示すシステムに類似した第２実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 ターボチャージャウェイストゲート弁およびタービン発電機調整弁を有する、図１に示すシステムに類似した第３実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 ターボチャージャウェイストゲート弁、タービン発電機調整弁、タービン発電機遮断弁を有する、図１に示すシステムに類似した第４実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 タービン発電機三方調整弁を有する、図１に示すシステムに類似した第５実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 ターボチャージャウェイストゲート弁およびタービン発電機三方調整弁を有する、図１に示すシステムに類似した第６実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 システムウェイストゲート弁およびタービン発電機調整弁を有する、図１に示すシステムに類似した第７実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 システムウェイストゲート弁、タービン発電機調整弁、タービン発電機遮断弁を有する、図１に示すシステムに類似した第８実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 システムウェイストゲート弁、ターボチャージャウェイストゲート弁、タービン発電機調整弁を有する、図１に示すシステムに類似した第９実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 システムウェイストゲート弁、ターボチャージャウェイストゲート弁、タービン発電機調整弁、タービン発電機遮断弁を有する、図１に示すシステムに類似した第１０実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 システムウェイストゲート弁、タービン発電機三方調整弁を有する、図１に示すシステムに類似した第１１実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 システムウェイストゲート弁、ターボチャージャウェイストゲート弁、タービン発電機三方調整弁を有する、図１に示すシステムに類似した第１２実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 並列構造のタービン発電機がタービン発電機調整弁を有する、タービン発電機システムの第１３実施形態の概略図である。 ターボチャージャウェイストゲート絞り弁のみを有する、図１３に示すシステムに類似した第１４実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 ターボチャージャウェイストゲート絞り弁、タービン発電機調整弁を有する、図１３に示すシステムに類似した第１５実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 ターボチャージャウェイストゲート絞り弁とタービン発電機遮断弁を有する、図１３に示すシステムに類似した第１６実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 ターボチャージャウェイストゲート絞り弁、タービン発電機調整弁、タービン発電機遮断弁を有する、図１３に示すシステムに類似した第１７実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 ターボチャージャウェイストゲート絞り弁、タービン発電機三方調整弁 を有する、図１３に示すシステムに類似した第１８実施形態のタービン発電機システムの概略図である。 直列構造のタービン発電機を有する、図１から図１２のいずれか１つに 示すタービン発電機システムのプロセッサの概略図であり、プロセッサにより処理される制御イベントを示す。 並列構造の図１３から図１８のいずれか１つに示すタービン発電機シス テム内のプロセッサで実行されるステップの概略フローチャートである。

Claims (28)

  1. ピストンエンジンの排気管内の排出流体から排気エネルギーを回収する方法であって、
    ターボチャージャのターボチャージャタービンを前記排出流体により駆動することと、
    タービン発電機のタービン発電機タービンを前記排出流体により駆動することと、
    前記タービン発電機タービンの出力軸に設けられた交流発電機により、軸動力を電力に変換することと、
    前記タービン発電機タービンの動作を、システム内の動作条件に応じて制御すること、を含み、
    前記制御することは、前記タービン発電機タービンへの流体流を、少なくとも１つの弁により調整することを含む、方法。
  2. 前記制御することは、前記タービン発電機タービンの入口をバイパスする流体流量を調整することを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記制御することは、前記タービン発電機タービンの入口への流体流を制御することを含む、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記制御することは、
    前記タービン発電機タービンの入口への流体流を制御することと、
    前記タービン発電機タービンの入口をバイパスする流体流量を調整すること、を含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記制御することは、前記タービン発電機タービンの入口をバイパスする流体流量を調整することで前記タービン発電機の発電量を制御することを含む、請求項１または２に記載の方法。
  6. 前記制御することは、前記タービン発電機タービンの入口をバイパスする流体流量を調整することで前記タービン発電機の予熱を制御することを含む、請求項１または２に記載の方法。
  7. 前記ターボチャージャタービンの排気管が前記タービン発電機タービンの入口に接続されることで、前記タービン発電機は前記ターボチャージャに対し直列構造となり、
    前記制御することは、前記少なくとも１つの弁の前記ターボチャージャタービンの排気管からの流体の圧力低下を制御することで、前記ピストンエンジンの混合気の空燃比を制御することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記ターボチャージャタービンの排気管が前記タービン発電機タービンの入口に接続されることで、前記タービン発電機は前記ターボチャージャに対し直列構造となり、
    前記制御することは、前記タービン発電機タービンの前記入口をバイパスする、前記ターボチャージャタービンの前記排気管からの流体流量を調整および／または前記タービン発電機の回転数を変更することで、前記ピストンエンジンの前記排気管における圧力および温度の内一方を制御することを含む、請求項１に記載の方法。
  9. 前記ピストンエンジンの前記排気管が前記ターボチャージャタービンの入口に接続され、さらに分岐線を通じて前記タービン発電機タービンの入口に接続されることで、前記タービン発電機が前記ターボチャージャに対して並列構造となり、
    前記制御することは、前記少なくとも１つの弁の前記ピストンエンジンの排気管からの流体の圧力低下の制御および／または前記タービン発電機の回転数を変更することで、前記ピストンエンジンの起動を制御することを含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記制御することは、前記ターボチャージャタービンおよび前記タービン発電機タービンの一方または両方に並列に接続されたウェイストゲート弁が、所定の値を超えて開弁したかを監視し、開弁していた場合、前記少なくとも１つの弁を制御し前記タービン発電機タービンへの流体流を調整するための動作信号を生成することを含む、請求項１に記載の方法。
  11. 前記制御することは、前記ターボチャージャタービンおよび前記タービン発電機タービンの一方または両方に並列に接続されたウェイストゲート弁が、少なくとも第１の所定の値以上に開弁すると、弁制御を開始することを含む、請求項１に記載の方法。
  12. 前記制御することは、タービン発電機タービンの回転数を動作回転数まで増加させ、前記少なくとも１つの弁の弁位置を維持することを含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記制御することは、
    前記タービン発電機の発電量が最小必要電力を下回る場合、フィードバック信号を発して電力を増大させることと、
    前記電力が前記最小必要電力を超えると、前記バルブ位置を再度維持することとを含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記制御することは、前記ウェイストゲート弁が第２の所定の値を超えて開弁すると、圧力を低減させることと
    前記ウェイストゲートが前記第２の所定の値未満に低減されると、前記弁位置を維持することとを含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記制御することは、前記タービン発電機の発電量が最大電力を超えると、電力を低減させることと、
    前記発電量が前記最大電力未満に低減されると、前記弁位置を再度維持することとを含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記制御することは、前記空燃比が低すぎる場合、前記タービン発電機タービンの入口をバイパスする流体流量を調整する弁を開弁して前記タービン発電機の回転数を減少させ、前記空燃比が高すぎる場合、前記タービン発電機タービンの入口をバイパスする流体流量を調整する弁を閉弁して前記タービン発電機の回転数を増加させることで、前記ピストンエンジンの前記混合気の前記空燃比を限定範囲内に調整することを含む、請求項１に記載の方法。
  17. 前記ピストンエンジンの前記排気管が前記ターボチャージャタービンの入口に接続され、さらに分岐線を通じて前記タービン発電機タービンの入口に接続されることで、前記タービン発電機が前記ターボチャージャに対して並列構造となり、
    前記制御することは、前記空燃比が低すぎる場合、前記ターボチャージャタービンに並列に接続されたウェイストゲート弁を閉弁して前記タービン発電機の回転数を増加させ、前記空燃比が高すぎる場合、前記ウェイストゲート弁を開弁して前記タービン発電機の回転数を減少させることを含む、請求項１に記載の方法。
  18. ピストンエンジンの排気管内の排出流体から排気エネルギーを回収するシステムであって、
    前記排出流体により駆動されるよう設けられ、前記排出流体が流入する入口と前記排出流体が排出される出口とを有するターボチャージャタービンを有するターボチャージャと、
    前記排出流体により駆動されるよう設けられ、前記排出流体が流入する入口と前記排出流体が排出される出口とを有するタービン発電機タービンを有するタービン発電機と、
    前記タービン発電機タービンの出力軸に設けられ、軸動力を電力に変換する交流発電機と、
    前記タービン発電機タービンへの流体流を調整する少なくとも１つの弁を有し、前記タービン発電機タービンの動作を、システム内の動作条件に応じて制御する制御部材と、を有するシステム。
  19. 前記タービン発電機は、前記ターボチャージャに対し、直列構造または並列構造となる、請求項１８に記載のシステム。
  20. 前記制御部材は、タービン発電機調整弁、タービン発電機遮断弁、ターボチャージャウェイストゲート弁、全体システムウェイストゲート弁からなる群から選択される弁の配列を有する、請求項１８または１９に記載のシステム。
  21. 前記少なくとも１つの弁は、前記タービン発電機タービンの入口をバイパスする流体流量を調整するよう設けられたバイパス弁を含む、請求項１８に記載のシステム。
  22. 前記少なくとも１つの弁は、前記タービン発電機タービンの前記入口への流体流を制御するよう、前記タービン発電機タービンの前記入口の上流に接続される遮断弁を含む、請求項１８、１９、２１のいずれか一項に記載のシステム。
  23. 前記少なくとも１つの弁は、前記タービン発電機タービンの前記入口の上流に接続され、前記タービン発電機タービンの前記入口への流体流を制御し、前記タービン発電機タービンの前記入口をバイパスする流体流量を調整する三方調整弁を含む、請求項１８または１９に記載のシステム。
  24. 前記ターボチャージャタービンの排気管が前記タービン発電機タービンの入口に接続されることで、前記タービン発電機は前記ターボチャージャに対し直列構造となり、
    前記少なくとも１つの弁は、前記ピストンエンジンの前記排気管と前記ターボチャージャタービンの前記排気管との間の分岐線に接続されたターボチャージャウェイストゲート弁を含む、請求項１８に記載のシステム。
  25. 前記ピストンエンジンの前記排気管が前記ターボチャージャタービンの入口に接続され、さらに分岐線を通じて前記タービン発電機タービンの入口に接続されることで、前記タービン発電機が前記ターボチャージャに対して並列構造となり、
    前記少なくとも１つの弁は、分岐線内に接続されたターボチャージャウェイストゲート絞り弁を含む、請求項１８に記載のシステム。
  26. 前記少なくとも１つの弁は、手動式または自動式であり、前記少なくとも１つの弁は、開閉弁または調節弁である、請求項１８から２５のいずれか一項に記載のシステム。
  27. 流体流からエネルギーを得るシステムであって、
    前記流体により駆動されるよう設けられ、前記流体が流入する入口と前記流体が排出される出口とを有するタービン発電機タービンを有するタービン発電機と、
    前記タービン発電機タービンの出力軸に設けられ、軸動力を電力に変換する交流発電機と、
    前記タービン発電機タービンへの流体流を調整する少なくとも１つの弁を有し、前記タービン発電機タービンの動作を、システム内の動作条件に応じて制御する制御部材と、を有するシステム。
  28. 流体流からエネルギーを得る方法であって、
    タービン発電機のタービン発電機タービンを前記流体により駆動することと、
    前記タービン発電機タービンの出力軸に設けられた交流発電機により、軸動力を電力に変換することと、
    前記タービン発電機タービンの動作を、システム内の動作条件に応じて制御することとを含み、
    前記制御することは、前記タービン発電機タービンへの流体流を、少なくとも１つの弁により調整することを含む、方法。
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